高密度磷酸化纳米洋葱碳/磺化聚芳醚砜复合膜的制备与性能

摘要

将纳米金刚石进行热退火反应得到尺寸约5 nm的准球形纳米洋葱碳（CNOs）,利用浓H₂SO₄/HNO₃混合酸的强氧化性在CNOs表面引入羧酸基团,得到羧酸化CNOs（C-CNOs）.进一步对C-CNOs进行酰基化和亲核取代反应,制备了高度磷酸化的CNOs（P-CNOs）.高分辨透射电子显微镜（HRTEM）、 X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）分析结果表明—COOH和—PO₃H₂基团的引入, P-CNOs的离子交换量（IEC）达到1.85 mmol/g.P-CNOs与磺化聚芳醚砜（SPAES）共混后,通过溶液浇铸法制备了一系列均质、完整且致密的SPAES/P-CNOs复合膜.吸水溶胀、抗氧化稳定性、质子传导率和电池性能等测试结果表明,与纯SPAES膜相比, SPAES/P-CNOs复合膜的各种性能均有提升.这是由于P-CNOs上的—COOH和—PO₃H₂基团与SPAES上的—SO₃H基团通过氢键相互作用,不仅可以形成更加稳定的网状结构,增强复合膜机械性能和化学稳定性,还可以促进H⁺在膜内的转移,提升其传导率.在90℃时, SPAES/P-CNOs-1.5的质子传导率高达220 mS/cm;在80℃/100%相对湿度（RH）下, SPAES/P-CNOs-1.5复合膜在H₂/O₂燃料电池中的最大功率密度达到了650 mW/cm²,与纯SPAES膜相比提高了36%,且机械性能好,热-尺寸-化学稳定性高,具有很好的应用前景.

关键词

磺化聚芳醚砜 / 磷酸化纳米洋葱碳 / 有机-无机复合 / 质子交换膜 / 燃料电池