DOI:10.1016/j.matdes.2020.108806

通过三步简单的表面功能化工艺制备了具有高强度和超高磺酸基表面浓度的磺化二氧化硅涂覆聚偏氟乙烯（S-SiO2@PVDF）纳米纤维基底。然后，将S-SiO2@PVDF基底用作壳聚糖（CS）的机械强化支撑和互连的三维质子传输网络，以制备用于直接甲醇燃料电池（DMFCs）的复合质子交换薄膜。S-SiO2@PVDF纳米纤维骨架作为CS基体的机械支撑，可以显著提高尺寸稳定性、拉伸强度、伸长率和抗机械损伤能力。同时，作为质子传导网络，复合膜的电导率显著提高至21.2 mS cm-1（约为纯CS的2.8倍）。此外，由于CS基质本身的优异甲醇阻隔能力以及纳米纤维的限制作用，复合膜的甲醇穿透率低至4.2×10-7 cm2 s-1，仅为商用Nafion 115的26％。DMFC测试表明，复合膜的最大功率密度为86.3 mW cm-2（80℃），即使在0.35 A cm-2的恒定电流下运行100小时，功率密度损失仅为5.4％。

图1.S-SiO2@PVDF纳米纤维的合成过程示意图。

图2.PVDF、PDA@PVDF、SiO2@PVDF和S-SiO2@PVDF纳米纤维垫的（A）ATR-FTIR、（B）XPS和（C）TGA曲线。

图3.（A，E）PVDF、（B，F）PDA@PVDF、（C，G）SiO2@PVDF和（D，H）S-SiO2@PVDF纳米纤维的SEM图像。

图4.（A）CS、（B）CS/PDA@PVDF、（C）CS/SiO2@PVDF和（D）CS/S-SiO2@PVDF膜的横截面SEM图像。

图5.CS和复合膜质子传导的（A）表面膨胀、（B）厚度膨胀、（C）吸水率和（D）Arrhenius图。

图6.湿态下CS、Nafion 115和复合膜的拉伸应力-应变曲线。

图7.在80℃下使用CS、Nafion 115和含（A）1、（B）2和（C）5 M甲醇的复合膜的直接甲醇燃料电池的极化和功率密度曲线，（D）DMFC测试前后，CS、CS/S-SiO2@PVDF和Nafion 115膜的膜电极。

图8.在80℃下用5 M甲醇进行（C）100 h计时电位测定前后（A）CS/S-SiO2@PVDF和（B）Nafion 115膜的极化和功率密度曲线。