综述：功能化粘土纳米复合材料用于增强聚醚基燃料电池膜的质子电导率

本综述系统评述了磺化聚醚砜（SPES）及其衍生物（包括具有开放磺酸基团的磺化聚醚砜（SPESOS））作为下一代质子交换膜（PEM）燃料电池功能基质的研究进展。文章重点探讨了通过引入蒙脱土（Mt）、层状双氢氧化物（LDHs）和凹凸棒石（Sep）等功能化粘土纳米材料，以解决SPES基膜在低湿度或高温条件下质子电导率和水合稳定性不足的问题。这些粘土填料通过改善离子域形态、吸水率和机械增强作用，为开发可持续、低成本的高性能燃料电池膜提供了新策略。

　　

Sulfonated polyether ether ketone (SPEEK)

磺化聚醚醚酮（SPEEK）因其高机械强度、可调节的吸水性和可定制的离子交换容量而成为常见的质子交换膜（PEM）材料。磺化过程将-SO₃H官能团引入聚醚醚酮（PEEK）主链，从而增强离子导电性并促进质子传输。SPEEK制成的PEM以其优异的机械稳定性和可调的离子交换能力而备受青睐，是燃料电池领域的理想候选材料。

Sulfonated polyether sulfone (SPES)

SPES是一种源自芳香烃的热塑性聚合物，呈无定形、半透明的淡琥珀色，对脂肪烃、氯化烃和芳香烃表现出高耐受性。尽管成本低且机械稳定性高，但PES吸水迅速，对空气湿度敏感，易发生尺寸变化。磺化改性后的SPES在离子导电性、亲水性和溶解性方面均有显著提升，为其在燃料电池中的应用奠定了基础。

Polyether sulfone octyl sulfonamide (SPESOS)

尽管磺化SPES膜的性能优于SPEEK基器件，但仍需进一步改性以提高其柔韧性并优化质子解离机制。磺化聚醚砜辛基磺酰胺（SPESOS）的开发标志着在定制聚合物拓扑结构以提升燃料电池中机械稳定性和离子传输效率方面取得了重要进展。作为一种先进的聚醚砜（PES）衍生物，SPESOS旨在改善如质子导电性和耐久性等关键特性。

Advanced electrochemical applications of functionalized clay-polymer membranes

功能化粘土（如Mt、LDHs和Sep）作为离子导体，通过有序的水合簇和阳离子交换机制促进质子传输。其固有的纳米层状结构富含羟基（-OH）和电荷平衡阳离子，有助于增强离子迁移率、电化学稳定性及选择性质子传导路径，使其在燃料电池膜以外的电化学应用中同样具有重要价值。

Challenges and future directions

在功能化粘土/聚醚砜（PES）复合质子交换膜（PEM）中，粘土颗粒在PES基质中的分散性是一个亟待解决的关键问题。由于层状硅酸盐（如Sep或Mt）在强范德华力作用下易发生聚集，形成异质结构，从而影响膜的质子导电性和机械性能。实现粘土在PES基质中的规则插层和剥离对于构建连续质子传输网络至关重要。未来的研究方向包括开发新型表面改性技术、优化加工工艺，并探索多功能复合膜在高温低湿条件下的长期稳定性。

Conclusion

功能化粘土/聚醚砜（PES）复合材料能够显著提升燃料电池用质子交换膜（PEM）的性能。本综述强调了利用蒙脱土（Mt）、层状双氢氧化物（LDHs）和凹凸棒石（Sep）等功能化粘土应对传统PEM高成本、热稳定性差及水合依赖性等问题的潜力。功能化粘土凭借其亲水表面和纳米结构特性，有效增强水的保留能力和质子传输路径，为下一代高性能、可持续的燃料电池技术奠定了材料基础。