氟化改性提升全氟磺酸聚合物膜化学稳定性及其在氢-空燃料电池中的应用研究

针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)中全氟磺酸聚合物膜的化学降解问题，俄罗斯科学院研究人员通过氟化改性技术显著提升了Nafion?型膜的稳定性。改性膜在50%相对湿度(RH)下质子电导率达4.25 mS/cm，膜电极组件功率密度较Nafion?212提升20%，为延长PEMFC寿命提供了新策略。

　　

随着化石燃料消耗加剧引发的环境问题日益严峻，氢能作为可持续能源的重要性愈发凸显。在氢能利用技术中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其高效、清洁的特性，成为移动电源系统、固定电站及交通工具的理想选择。然而制约PEMFC大规模应用的核心瓶颈在于其关键组件——全氟磺酸质子交换膜的化学降解问题。在燃料电池运行过程中，羟基自由基(•OH)等活性物质会攻击膜材料中的C-H键和羧基(-COOH)，引发主链解拉链式降解，导致膜性能急剧下降。尽管添加铈氧化物等自由基清除剂可缓解此问题，但离子迁移导致的质子传导率降低又成为新的挑战。

俄罗斯科学院普通与无机化学研究所的研究团队另辟蹊径，采用氟化改性技术对MTB Technology公司合成的Nafion?型全氟磺酸材料进行结构强化。通过将末端C-H键和-COOH基团转化为耐腐蚀的-CF₃基团，显著提升了材料的抗氧化能力。相关研究成果发表在《Polymer Degradation and Stability》上，为解决PEMFC耐久性难题提供了创新方案。

研究团队运用X射线衍射分析材料结晶度，通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)检测官能团变化，采用电化学阻抗谱测定质子传导率，并构建膜电极组件(MEA)测试燃料电池性能。实验选用俄罗斯本土企业提供的Pow-SO₂F粉末原料，与商业Nafion?212膜进行系统对比。

材料表征
XRD分析显示氟化处理未改变聚合物结晶度，FTIR证实-CF₃基团成功取代不稳定末端基团。热重分析表明改性膜热稳定性与商业膜相当，机械性能测试显示断裂伸长率保持率超过90%。

性能测试
改性膜的吸水率较Nafion?212提升15%，在30°C/50% RH条件下质子电导率达到4.25 mS/cm。加速老化试验中氟化膜的氟离子释放率降低67%，证实其抗自由基氧化能力显著增强。

燃料电池应用
组装的MEA最大功率密度较对照组提高20%，在80°C长期运行测试中电压衰减速率降低40%。电镜观察显示氟化膜表面腐蚀坑数量减少80%，证实材料耐久性提升。

结论与展望
该研究开创性地通过氟化改性解决了全氟磺酸膜化学稳定性难题：1）首次证实直接氟化可有效消除聚合物末端脆弱位点；2）开发出兼具高质子传导率(4.25 mS/cm)与优异抗氧化性的新型膜材料；3）为突破PEMFC 8000小时寿命目标提供了技术路径。特别值得注意的是，研究采用俄罗斯本土企业研发的原料，展现了进口替代潜力。未来研究可进一步探索氟化工艺优化及规模化生产可行性，推动该技术在新能源汽车等领域的应用落地。