鎢酸功能化氧化鈦納米管的製備

研究人員通過水熱法合成了氧化鈦納米管（Titanium oxide nanotubes, TNT），並在其表面共價接枝了鎢酸（離子交換基）。合成的鎢酸功能化TNT（W-TNT）通過SEM、TEM、XRD分析表徵了納米管的形態，並通過FTIR和固態核磁共振技術確認是否成功接枝。

研究中製造了不同比例的W-TNT（2%、4%、6%和8%）和磺化聚醚酮（SPEEK）的複合膜，從而獲得了高離子交換性能。所製備的複合膜通過SEM、XRD、FTIR、吸水率、離子交換能力和質子電導率進行了表徵，以確保該膜在燃料電池應用中作為電解質使用的適當性。

從研究中發現，含有6%W-TNT的SPEEK顯示出最佳的電化學性能。在燃料電池中測試這種膜作為電解質與碳支援的鉑陽極和陰極電極時，在80℃下達到了352 mW cm-2的最大功率密度。額外的離子交換基團（鎢酸）的存在和TNT的中空性質導致了其性能比普通膜更好。

近年，人們越來越關注從可再生和生態友好的資源中獲取能源，因此，燃料電池變得更加流行，因為它從燃料和氧化劑中產生能量，而且效率高，幾乎沒有排放。

在現有的不同類型的燃料電池中，質子交換膜燃料電池（PEMFCs）由於其獨特的特點，如低操作溫度、高電流密度下的持續操作、低重量、緊湊和高效率而具有優勢。Nafon（市售質子導電膜）因其高質子導電性和良好的機械、化學和熱穩定性而被廣泛用於PEMFC。

但是，它的高成本、高燃料交叉行為和碳氫化合物骨架（非生態友好）使得它在作為PEMFC的電解質使用時具有嚴重的缺點。因此，研究人員一直致力於開發由碳氫化合物骨架組成的成本效益高且生態友好的聚合物膜。

聚醚酮（PEEK）、聚苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯（PSEBS）、聚醚碸（PES）、聚醯亞胺（PI）、聚乙烯咪唑（PVIM）、聚苯烯（PPE）和聚苯並咪唑（PBI）等高工程聚合物已經被改性（磺化）以取代萘芬。在這些膜中，磺化聚醚醚酮（SPEEK）由於其良好的熱機械穩定性和體面的導電性，比其他膜被廣泛研究。但這些性能都不如Nafon。因此，為了改善SPEEK的整體性能，納米無機填料如TiO2、ZrO2和SiO2、SnO2、WO3被納入SPEEK膜中。

研究表明，納米顆粒的加入增加了親水性，並為質子通過水分子的轉移提供了一個優先的路徑（Grotthuss機制）。此外，納米顆粒的高比表面積增加了與聚合物的介面互動，從而增加了鎢酸功能化氧化鈦納米管的熱機械穩定性。

參考文獻：Elumalai V, Deenadhayalan T, Kathleen Asitha A, et al. Preparation of tungstic acid functionalized titanium oxide nanotubes and its effect on proton exchange membrane fuel cell[J]. SN Applied Sciences, 2019, 1(4): 1-12.

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