磺化聚砜/苯乙烯-丙烯腈共聚物复合共混膜的开发与表征及其质子传导性能增强研究

本研究针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)中Nafion膜成本高、氟结构不环保等问题，开发了磺化聚砜(SPSf)/聚苯乙烯-丙烯腈共聚物(PSAN)复合共混膜。通过调控共混比例，实现了22.58%的吸水率、40.63 mS.cm-1的质子电导率及27.89%的溶胀率，兼具优异机械强度与化学稳定性，为低成本高性能燃料电池膜材料提供新方案。

　　

随着全球能源需求激增和环境污染加剧，氢能作为零碳能源备受关注。质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其高效清洁特性成为研究热点，但其核心组件——质子交换膜(PEM)仍面临Nafion膜成本高、氟污染等技术瓶颈。商业化的聚砜(PSf)虽具优异机械性能，但质子传导率不足；而磺化改性后的磺化聚砜(SPSf)虽能提升传导率，却易发生过度溶胀导致结构失稳。如何平衡质子传导与结构稳定性，成为突破PEMFC技术的关键难题。

针对这一挑战，阿菲永科贾泰佩大学（Afyon Kocatepe University）与加齐大学（Gazi University）的研究团队创新性地将高质子传导性的SPSf与具有优异机械强度的聚苯乙烯-丙烯腈共聚物(PSAN)复合，通过溶液浇铸法制备系列共混膜。研究发现，SP75/PS25膜在40.63 mS.cm^-1的高质子传导率下仍保持4.35%的低溶胀率，热稳定性达300°C以上，相关成果发表于《Process Safety and Environmental Protection》。

研究采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)确认磺化成功，通过热重分析(TGA)评估热稳定性，利用电化学阻抗谱(EIS)测定质子传导率，并结合扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)分析微观结构。水接触角测试与芬顿试验分别表征亲水性和抗氧化能力，3D光学轮廓术则量化膜表面形貌。

材料与设备

研究选用分子量16000-35000的PSf和165000的PSAN为基材，以浓硫酸磺化制备SPSf，通过氯仿/二氯甲烷混合溶剂体系调控共混比例。关键设备包括AB23PH-F分析天平、Nicolet iS10型FTIR和TA Q500型TGA等。

吸水率与溶胀行为

纯SPSf膜展现最高吸水率(22.58%)和溶胀率(27.89%)，而PSAN的引入显著抑制溶胀，SP50/PS50膜溶胀率降至4.35%。接触角测试显示共混使疏水性增强，SP75/PS25膜接触角达78.4°。

机械与化学性能

PSAN比例提升使拉伸强度从SPSf的28.4 MPa增至SP50/PS50的45.6 MPa。芬顿试验证实SP50/PS50膜在氧化环境中失重率最低(9.8%)，显示优异化学稳定性。

质子传导机制

EIS测试表明，SP75/PS25膜在室温下质子传导率达40.63 mS.cm^-1，归因于-SO₃H基团形成的连续质子传输通道。离子交换容量(IEC)与磺化度(DS)呈正相关，SPSf膜IEC为1.42 meq/g。

微观结构表征

SEM显示所有共混膜均形成致密无孔结构，XRD证实材料呈非晶态。TGA显示PSAN使分解温度提高50°C，DSC则检测到共混使玻璃化转变温度(T_g)从186°C升至205°C。

该研究通过分子设计成功构建"刚柔并济"的膜结构：SPSf提供质子传导通道，PSAN构建刚性骨架抑制溶胀。SP75/PS25膜在质子传导率(40.63 mS.cm^-1)、机械强度(35.2 MPa)和热稳定性(300°C)三项关键指标上均超越同类研究，如Permana等报道的SPSf/CND-1膜(35.5 mS.cm^-1)。3D光学轮廓术揭示的表面粗糙度(R_a=0.21 μm)更利于催化剂层接触，这对提升PEMFC的功率密度至关重要。

Tan??等曾指出SPSf膜厚度增加会导致传导率下降，而本研究通过共混策略在保持50μm标准厚度下实现性能优化。与Khan等开发的SPEEK/SPPO膜(84 mS.cm^-1)相比，虽然传导率略低，但本研究的共混膜在成本控制与工业化生产上更具优势。研究团队特别强调，该膜材料原料全部来自商业聚合物，溶液加工工艺与现有生产线兼容，预计可将PEM成本降低60%以上。

这项成果不仅为PEMFC提供了新型膜材料选择，其"功能-结构协同调控"的设计思路更可拓展至液流电池、电解水制氢等领域。未来通过引入二维纳米材料（如氧化石墨烯）构建三维传导网络，有望进一步突破传导率瓶颈，推动氢能技术的规模化应用。