DOI:10.1016/j.memsci.2020.118198

纳米纤维复合膜（NFCM）由于具有超高的面内质子传导能力而显示出作为质子交换膜的巨大潜力，但是受到通透性差（即，严重的传导各向异性）的阻碍。在本文中，通过均匀填充2-5 nm量子点（QDs）的方法首次制备了杂化磺化聚醚醚酮（SPEEK）纳米纤维。然后，将壳聚糖掺入到纤维垫的孔隙中以制备杂化纳米纤维复合膜（HNFCM）。填充的量子点可以提供大量的质子传导基团（–NH–/–NH2和–CO2H）。尤其，–NH–/–NH2基团与SPEEK中的–SO3H基团形成有序的酸碱对，从而为纳米纤维中的质子跳跃提供低势垒通道。以这种方式，HNFCM显示出显著增强的平面方向和厚度方向的质子传导，降低了传导各向异性，从而提高了氢燃料电池的性能。特别是，在90℃和100％RH下，这种HNFCM可实现高达456 mS cm-1的通面电导率，这几乎是没有QDs的NFCM的3倍，这也使电池功率密度增加了一倍。本研究还探讨了量子点中官能团负载对膜性能的影响。

图1.（a）SP、（b）SP/PQD-20％和（c）SP/GQD-20％在日光（左）和365 nm UV（右）下的图像。（d）SP、（e）SP/PQD-20％和（f）SP/GQD-20％的SEM图像。

图2.（a）SP、SP/GQD-20％和SP/PQD-20％的XPS光谱（插图为S元素含量）。（b）溶液形式的SP、SP/GQD-20％和SP/PQD-20％的FTIR光谱。（c）纳米纤维形式的SP、SP/GQD-20％和SP/PQD-20％的FTIR光谱。（d）SP、SP/GQD-20％和SP/PQD-20％的IEC值。

图3.（a）CS/SP/PQD-20％的表面和（b）截面SEM图像。（c）CS、CS/SP、CS/SP/PQD-20％和CS/SP/GQD-20％的DSC曲线。（d）比较纳米纤维（SP、SP/GQD-20％和SP/PQD-20％）与相应膜（CS/SP、CS/SP/GQD-20％和CS/SP/PQD-20％）的IEC值。

图4.CS/SP和CS/SP/PQD-X的质子传导特性：（a）在100％RH和不同温度下测得的通面电导率（σ⊥）；（b）在80℃和不同RH下测得的通面电导率（σ⊥）；（c）在0％RH和不同温度下测得的通面电导率（σ⊥）；（d）在0％RH和不同温度下测得的面内电导率（σ∥）；（e）比较沿厚度方向和平面方向的转移活化能；（f）在90℃和0％RH下测得的通面（σ⊥）、面内电导率（σ∥）和传导各向异性系数（σ∥/σ⊥）。

图5.CS/SP、CS/SP/GQD-20％和CS/SP/PQD-20％的质子传导特性：（a）在100％RH和不同温度下测得的通面电导率（σ⊥）；（b）在0％RH和不同温度下测得的通面电导率（σ⊥）；（c）在0％RH和不同温度下测得的面内电导率（σ∥）；（d）在90℃和0％RH下测得的面内电导率（σ⊥）、面内电导率（σ∥）和传导各向异性系数（σ∥/σ⊥）。

图6.在以下条件测量的CS/SP、CS/SP/PQD-20％和CS/SP/GQD-20％的燃料电池极化曲线和功率密度曲线：（a）60℃，75％RH；（b）60℃，0％RH。