【文章介绍】

我院薛立新教授团队与浙江工业大学黄菲教授团队，在《Chemical Engineering Journal》上发表了题为“Comb-shaped cationic bridges in phosphoric acid-doped PBI gel membranes: A pathway to flexible and efficient fuel cell operation from –20 °C to 200 °C”的研究论文。该研究通过结合多聚磷酸（PPA）溶胶-凝胶法与非均相自由基聚合策略，在PBI凝胶网络中成功构建了梳状咪唑鎓阳离子桥结构，开发出具有定向纳米片排列和双侧致密皮层的新型凝胶膜（PA/PBI-AMim-x）。该膜在-20 °C至200 °C的超宽温度范围内展现出优异的质子传导性、突出的磷酸保留能力和良好的机械强度。基于该膜的燃料电池表现出卓越的单电池性能：在80 °C时峰值功率密度达820 mW cm^-2，在160 °C时进一步提升至1605 mW cm^-2，并具备-20 °C条件下的冷启动能力。此外，该膜具有优异的磷酸保留性能，在40 °C下电压衰减率仅为23.7 μV/h，且在经历100次频繁启停循环的应力加速试验后仍保持稳定运行。这一研究成果成功弥合了传统低温与高温质子交换膜燃料电池（PEMFC）之间的性能差距，为在实际工况下实现坚固、灵活与耐久的燃料电池系统提供了新的技术路径。

【图文导读】

图1. 梳状咪唑鎓阳离子桥型PA/PBI-AMim-x膜的制备。

图2. 磷酸掺杂PBI膜的微观结构分析。

图3. 膜的取向性分析

图4. PA掺杂PBI膜的质子传导机制与宽温区性能。

图5. PA掺杂PBI膜的磷酸保留能力与稳定性。

图6. 梳状咪唑鎓阳离子桥型PA/PBI-AMim-x膜在宽温域范围的燃料电池性能。

图7. 梳状咪唑鎓阳离子桥型PA/PBI-AMim-x膜的单电池耐久性能。

【总 结】

本研究通过构建梳状阳离子桥结构、调控膜内纳米片取向与形成双层致密皮层，成功开发出一种兼具高质子电导率、优异PA保留能力和机械强度的宽温域质子交换膜。该膜在-20°C至200°C范围内表现出卓越的单电池性能与耐久性，突破了现有HT-PEM技术的温度限制，实现了与低温PEMFC相当甚至更优的综合性能。该工作为下一代高性能、高灵活性燃料电池提供了新材料设计策略与技术路径。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.168166

【通 讯 作 者 简 介】

黄菲教授简介：浙江工业大学化学工程学院，教授。2015年获美国康涅狄格大学博士学位，2017年至2020年为美国南卡罗莱纳大学博士后研究员，2019年入选浙江省海外高层次人才，2020年8月回国工作。长期专注于质子/离子交换膜材料在清洁能源领域的前沿研究和产业化，聚焦在中高温燃料电池、电解水制氢、液流电池等方面，拥有十年海外科研工作和应用器件开发经验, 主持多项国家和省级项目，取得了一系列成果。在Nat. Commun.、Adv Energy Mater、Chem. Eng. J.、Small、Energy Stor. Mater.、J. Mem Sci.、ACS Sustain. Chem. Eng.等国际期刊上发表SCI学术论文40余篇，美国发明专利5件。

薛立新研究员简介：温州大学新材料与产业技术研究院副院长、中国科学院特聘研究员、浙江省膜分离与水处理协同创新中心副主任、温州大学化学与材料工程学院瓯江领军人才，博士生导师。曾经在美国Honeywell、 Philip Morris、Celanese等公司和中国科学院担任高级科研管理人员二十多年，主持高性能高分子膜合成和高分子加工新技术研发等科研项目，发表SCI论文130多篇，申请美国和PCT国际授权发明专利58项，中国专利277项（授权164项）。曾获得中国科技大学亿利达实验科学奖（1986年），中国科学院科技进步三等奖（1989年），AlliedSignal公司专利发明人奖（1999年）和两次菲律普莫里斯技术杰出贡献奖（2003年和2006年）。1999年入选国际专业名人录(International “Who is Who”of Professionals)，2010年入选浙江省级人才计划，2015年获得中科院宁波材料所最佳论文奖、入选国家级人才引进和中国科学院特聘研究员, 被提名国际ENI奖；2018年获得中国膜工业协会科技进步一等奖，同年获《Journal of Membrane Science》编委会杰出审稿奖和浙江工业大学海洋学院科研优秀奖，2019年获得中国国家专利优秀奖（2019），2021获得国际先进材料学会科学金奖（IAAM Science Metal）。

原文转载自科学材料站