天津大學Nature Energy：燃料電池性能不行？加點磁場
背景介紹
陰離子交換膜燃料電池（AEMFCs）作為能量轉換裝置正在被深入研究。其中，陰離子交換膜（AEMs）的設計對於實現所需的AEMFCs功率輸出和性能穩定性至關重要。離子從AEM的陰極到陽極，因此陰離子交換膜（AEMs）中的透過面（TP）傳導路徑，可作為氫氧根離子在電極之間傳輸短而有效的路徑，能夠提高燃料電池功率輸出。
但當前的AEM通常具有隨機分布且形狀不規則的導電域，這些域易於產生各向同性電導率。為了提高TP電導率，電場和磁場已被用於在AEM中創建面向TP的結構，但性能提升幅度不大，能夠通過開發同時具有磁響應性和具有陰離子導電能力的材料來規避。此外，堿穩定性對AEM也至關重要。
主要內容
鑒於此， 天津大學Michael D. Guiver教授和尹燕副教授 使用順磁性二茂鐵聚合物在磁場下制備TP取向的AEM。磁場誘導混合價態，從而實現更高的陰離子解離和增強的堿/氧化還原穩定性。
特別是，二茂鐵陽離子磁響應性和陰離子電導率的結合提升了TP電導率。具體來說，本文合成了壹種具有化學惰性主鏈的高分子量聚（乙烯基二茂鐵）（PF），且PF上的配體交換激活烷基的取代基效應以提高穩定性，從而提供相應的配體交換的PF（LPF）。在PF或LPF中，從二茂鐵到二茂鐵的部分氧化（即電離）使混合價態聚合物具有適當的離子交換容量（IEC），以平衡令人滿意的電導率和適當的溶脹/機械強度。部分電離的PF和LPF轉化為氫氧化物形式，分別表示為PF-OH和LPF-OH。磁場下的溶液澆鑄提供了TP取向的高導電 PF-OH和LPF-OH AEMs。
實驗結果表明， 本文的AEM在95 的水中顯示出160 mS cm-1 TP離子電導率，並且在95 的堿性溶液中4320小時內沒有明顯的離子電導率損失。由此組裝的燃料電池80 和80%相對濕度的情況下實現737 mW cm-2的功率輸出，在500 mA cm-2，120 和40%相對濕度的500小時下增加了3.9%的電壓損失和2.2%的高頻電阻的耐久性 。
相關論文以“ Magnetic-field-oriented mixed-valence-stabilized ferrocenium anion-exchange membranes for fuel cells ”為題發表在 Nature Energy 。
圖文詳情
圖1. PF-OH和LPF-OH的合成
圖2. 聚合物和膜樣品的外觀和光譜分析
圖3. 膜表征
圖4. 膜電導率和穩定性
圖5. AEMFC評估
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