质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 是一种动力电池，可以将氢和氧之间的电化学反应过程中产生的化学能转化为电能。虽然这些电池是非常有前途的能源解决方案，但大多数只能在有限的温度范围内运行，例如 80 到 90℃或 140 到 180℃。
中国科学院、天津师范大学和天津大学的研究人员最近设计了一种新型 PEMFC，它可以在更广泛的温度范围内运行，特别是 -20 到 200 °C。他们的论文发表在Nature Energy上，可以促进 PEMFC 技术的广泛使用，同时降低其制造成本。
“当我们考虑到聚苯并咪唑 (PBI)膜中的磷酸 (PA) 泄漏时，根据酸碱相互作用的概念，我们认为苯并咪唑会吸收分子 PA，”李南文，这篇论文的作者告诉 TechXplore。“而另一方面，PBI 膜中的所有其他 PA 分子大多是通过氢键相互作用保留的。这就像一条狗链束缚了一只狗，因此其他狗只是通过亲属关系跟随这只狗。但是，如果我们可以建一个狗窝，关上前门，这个狗窝里的所有狗都不能轻易出来。”
李 和他的同事最近进行的研究的主要目的是制造一种可以吸收 PA 的膜。为了进一步加强其捕获 PA 的能力，研究人员利用了所谓的“毛细虹吸效应”，通过这种效应，液体可以很容易被吸收。
当将毛细管虹吸效应应用于传统膜时，液体可能不容易释放。因此，该团队决定使用 Tröger 基础 (TB) 聚合物制造膜，这种材料具有超高的固有微孔率。
“TB 聚合物中的超微孔充当 PA 吸收和保留的毛细管，就像在狗窝的比喻中一样，”李解释说。“通过调节单体的化学结构，可以控制聚合物膜的孔径和分布。其中一种孔径约为3.5 Å的膜表现出最好的PA分子虹吸作用，从而具有最佳的导电稳定性，使燃料电池性能工作在广泛的温度范围内。”
燃料电池通常通过空气或氧气的电化学氧化燃料（例如氢气）来工作，最终产生电能和水。PEMFC 中包含的质子导电膜在每一侧都涂有催化物质，以触发电池内部阳极（氢气）和阴极（氧气）之间的电化学反应。
“除其他外，膜有两个主要功能：一个是将在阳极催化产生的质子传导到阴极，并将它们与氧气结合，最终产生水，而另一个是迫使电子（即电能）在阳极通过外部电路催化产生，”李说。“人们可以将燃料电池视为氢和氧的高度可控催化燃烧，它不会像点燃时那样爆炸，而是根据需要释放电能。电解或水的分解实际上正好相反，其中你输入电能将水分解成氢气和氧气。”
使用他们创造的掺杂 PA 的超微孔膜，李和他的同事们能够制造出可以在非常宽的温度范围内运行的燃料电池。
“使用我们的设计，燃料电池堆将大大简化，”李说。“我们相信，将 PA 吸收到超微孔中的虹吸效应对于开发高性能高温 PEMFC 具有重要意义，并且还将改善整个燃料电池系统，使其无需辅助加热系统即可运行。”
新的膜和电池设计可能很快导致性能更好的 PEMFC 的开发，同时也显着降低其制造成本。在接下来的研究中，李 和他的同事计划将毛细管虹吸效应也应用于催化剂层，以提高其有效性并减少催化剂负载。
此外，他们将专注于微调膜孔的大小以及共混、共聚和交联的分布。这最终可能有助于进一步提高燃料电池的稳定性和导电性。
“我们还希望设计和制备具有与我们使用的膜相同的超微孔率的 PBI 系统，这可能更容易应用于能源行业，”李补充道。“此外，我们产生的相同虹吸效应也可用于催化剂层，将 PA 分子保持在催化剂层内，从而避免 Pt 催化剂磷酸盐中毒的不利影响。”
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