DOI: 10.1016/j.polymer.2023.125800

竞争性质子交换膜（PEM）基质采用磺化聚醚醚酮，其制造工艺简单，易于大规模工业化，且导电适应性强。然而，基于SPEEK的PEM的强质子电导率与高稳定性之间冲突不断，如果引入额外的磺酸，SPEEK的主链将传导更多的质子，但它也会导致高溶胀率并降低稳定性。为了解决这一具有挑战性的问题，研究者将磷钨酸（HPW）的高本征质子电导率和聚酰亚胺（PI）纳米纤维的优异稳定性耦合在单层PEM中。特别地，创建了夹层结构的混合膜（PI/SPEEK+HPW），以减少操作条件下的HPW损失，进一步提高稳定性。在60℃和100%RH下，优质的夹层结构PI/SPEEK+HPW-20的溶胀率和电导率分别为29%和223.4mS·cm^-1 ，分别比SPEEK的对应值大8%。在60℃和100%RH下暴露13天期间，其质子电导率达到170.9mS·cm^-1，这将比经相同处理的SPEEK的效果好30%。这些膜中的质子通过Grotthus和载体机制传输，并且FTIR、XPS和TEM证实，在PI纳米纤维与HPW/SPEEK之间的表面处建立了富酸层，这是其性能优异的原因。

图1.（a）制备PI/SPEEK+HPW复合膜的示意图及（b）其光学照片

图2.（a）SPEEK、（b）20%HPW+SPEEK、（c）PI/SPEEK+HPW-10、（d）PI/SPEEK+HPW-20、（e）PI/SPEEK+HPW-30和（f）1.5%PI/SPEEK/1.5%PI的横截面SEM形貌

图3.PI/SPEEK+HPW膜的（a）TGA和（b）DTG曲线

图4.PI/SPEEK+HPW复合膜的机械性能

图5.PI/SPEEK+HPW复合膜在100%RH下的（a）溶胀率、（b）吸水率、（c）质子电导率和（d）Ea

图6.PI/SPEEK+HPW复合膜在60℃和100%RH条件下的（a）质子电导率、（b）溶胀率和（c）吸水率耐久性

图7.PI/SPEEK+HPW膜的（a）W元素和（b）S元素高分辨率XPS、（c）FTIR以及（d）TEM

图8.PI/SPEEK+HPW膜的质子传输机制

图9.SPEEK和PI/SPEEK+HPW-20膜的单电池性能