DOI: 10.1016/j.nanoen.2022.107581

由多孔聚四氟乙烯（PTFE）作为机械增强材料，全氟磺酸（PFSA）作为质子导电聚合物组成的增强复合膜（RCM）结构因其在聚合物电解质膜（PEM）燃料电池中的良好性能而备受关注。然而，在制备RCMs时聚合物纳米复合材料仍然面临着PFSA中的亲水磺酸基与疏水纳米多孔PTFE基体互不相溶的关键挑战。在此，研究者报告了一种精细且简便的制造策略，用于生产交叉定向PTFE（CA-PTFE）框架。电场引导静电纺丝能够创建独特的微米级网格型PTFE基质，该基质是通过对静电纺丝共轭聚合物进行退火合成的，从而去除载体聚合物并通过PTFE颗粒的融合形成连续的纤维结构。在网格型PTFE基体中CA-PTFE RCM均匀浸渍PFSA，有利于膜的水合作用，通过浓缩的磺酸基团使质子的溶胀最小且能够有效扩散。采用CA-PTFE RCM的电池在低湿度和高湿度运行期间均显示出优异的燃料电池电流，0.6V时的电流密度为1.38A/cm2，RH100%条件下的最大功率密度为0.85W/cm2。此外，即使在21,000次湿/干循环后，CA-PTFE RCM也能够以较低的氢交叉实现持久的单电池运行（在0.4V时小于5mA/cm2），这超过了传输膜的耐久性标准。纤维状PTFE增强材料的合理设计为未来高稳定性PEM燃料电池的发展开辟了新的道路。

图1.（a）常规以及（b）有和（c）无旋转收集器的电场引导静电纺丝收集的纳米纤维图案的示意图；（d）CA-PTFE的合成和CA-PTFE RCM的制备示意图。

图2.（a）定向PEO/PTFE纤维的低倍和（b）高倍SEM图像，（c）定向PEO/PTFE纤维的取向分布函数（插图：来自图2a的FET输出图像）；（d）CA-PTFE的低倍和（e）高倍SEM图像，以及（f）横截面图；（g）CA-PTFE和（h）CA-PTFE RCM的数码照片图像；（i）CA-PTFE RCM横截面的SEM图像（插图：顶视图）。

图3.（a）c-PTFE、PEO/PTFE和CA-PTFE的FT-IR曲线；（b）c-PTFE和（c）CA-PTFE的孔径分布；（d）c-PTFE和CA-PTFE的累积汞侵入；（e）c-PTFE和CA-PTFE的应力-应变曲线，（f）模拟应变-内压曲线；通过FEM模拟获得的（g）CA-PTFE和（h）c-PTFE在25%应变下的应力场图像。

图4.c-PTFE RCM和CA-PTFE RCM的（a）应力-应变曲线、（b）孔隙率值、（c）吸水性和（d）尺寸稳定性；（e）NR212、c-PTFE RCM和CA-PTFE RCM在不同温度（RH>90%）下的通面质子电导率；（f）c-PTFE RCM和（g）CA-PTFE RCM中质子传导行为的示意图；（h）PTFE和PFSA比例为40:240的代表性PFSA模型水合之前（左）和之后（右）；（i）水合PFSA膜中氢离子的有效扩散率。

图5.（a）NR212、（b）c-PTFE RCM和（c）CA-PTFE RCM在RH100%下进行1,500次循环前后的MEA性能（施加压力为1.5bar），以及（d）NR212、（e）c-PTFE RCM和（f）CA-PTFE RCM在RH50%下进行1,500次循环前后的MEA性能（施加压力为1.0bar）；使用NR212、c-PTFE RCM和CA-PTFE RCAM的MEAs在（g）RH100%和（h）RH50%下循环1,500次前后的奈奎斯特图（在0.6V的外加电压以及100mHz和100kHz频率范围内的EIS）；（i）持续湿/干循环前后CA-PTFE RCMs的氢交叉电流密度与外加电压的函数关系（在RH100%以及1.0bar施加压力下测量）。