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全氟磺酸离子聚合物有望提高氢燃料电池能量的同时降低材料成本

信息来源:金联创 2020-02-03 15:38:13
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近日,由化学和生物分子工程教授米格尔·莫德斯蒂诺(Miguel Modestino)领导的纽约大学丹顿工程学院的研究人员团队和劳伦斯伯克利国家实验室共同发表在《美国化学学会杂志》上的“用于改进电化学装置的高渗透性全氟磺酸离子聚合物:洞察结构与性质之间的关系” 一文,展示了他们对于一种混合材料的研究成果,该材料可将大量氧气从大气中输送到电池的电极反应部位(产生更多的能量),同时减少了燃料电池所需的昂贵材料(如铂)的数量,有可能解决氢燃料电池行业的主要挑战。


氢燃料电池包括阳极和阴极,在它们之间具有电解质膜。电是在反应过程中产生的,氢在阳极中发生反应,大气中的氧气在阴极中发生反应。在后者的位置,质子与氧气结合产生电能和水。离子导电聚合物用于将质子带到反应位点,在此处空气中的氧气需要渗透穿过聚合物以驱动发电反应。

 

当前,可商购获得的离子聚合物通常是全氟磺酸(PFSA)聚合物,其包括由聚四氟乙烯(PTFE)基质组成的线性链状主体,以及连接至PTFE主体的赋予离子传导性的磺酸侧基。这种分子上与聚四氟乙烯相似的复杂组合具有较高的机械强度,但研究表明,它的氧气渗透性低,导致燃料电池的能量损失显著。

 

研究人员包括化学工程学教授,纽约大学丹登分校聚合物研究所所长冈本佳夫(Yoshi Okamoto)和博士生阿德莱·卡岑伯格(Adlai Katzenberg),通过将线性PTFE聚合物链与庞大的氟化链交换而解决了多个问题,氟化链增加了基体的自由体积,极大地增强了其在燃料电池中运输氧气的能力。

 

莫德斯蒂诺解释说,杂化材料包含离子导电聚合物和高渗透性基质。他说:“我们创造了一种新型的共聚物,其中两种成分结合在一起。一部分传导离子,而另一部分则对氧气具有很高的渗透性。冈本一直在研究用于气体分离过程的高渗透性聚合物。当我加入纽约大学丹顿工程学院时,我们意识到他开发的聚合物可以用于改进燃料电池。”

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