鎢酸氧化鈦納米管提高燃料電池離子交換能力

離子交換能力是離子膜的重要特性，這一特性隨著離子交換材料的添加而增強。由於磺酸基（SO3H）的貢獻，純SPEEK膜的IEC值為1.9meq g^-1。在磺化聚醚醚酮（SPEEK）膜中增加鎢酸氧化鈦納米管（W-TNT）的含量可提高燃料電池離子交換能力。

離子交換的增加歸因於TNT中存在的離子交換位點（鎢酸），除了SPEEK的磺酸基團之外，TNT也參與了離子交換過程。即使添加2wt%的W-TNT也能將IEC值從1.9meq g^-1提高到2.5meq g^-1，這意味著大量的鎢酸存在於TNT中。

SPEEK 6% W-TNT複合膜的最大IEC值為3.2meq g^-1。而SPEEK 8% W-TNT顯示出IEC值的下降，這可能是由於細小顆粒的聚集阻礙了離子交換組參與離子交換過程。膜內的水分子在質子傳導中起著重要的作用。膜的吸水量越大，就越有利於質子的擴散。一般來說，由於親水性的增加，膜的吸水率隨著IEC的增加而增加。

親水性的W-TNT填料提高了SPEEK膜的持水能力。因此，所有複合膜的吸水率值都高於純SPEEK。最大的吸水值由SPEEK 6% W-TNT複合膜顯示（19.24%），該值對於在潮濕條件下工作的燃料電池的膜來說更容易承受。

在SPEEK膜中加入W-TNT填料顆粒的目的是為了加強複合膜內的質子傳輸，這可以通過兩種方式實現：TNT的中空性質可以在膜內保留大量的水分子（由於其管狀形態），從而提高了水介導的質子傳導途徑（Grotthuss機制）。除了SPEEK的磺酸鹽基團之外，鎢酸氧化鈦納米管中的離子交換基團（鎢酸）也可以參與質子交換過程。這種綜合作用使得複合膜對質子的運動阻力降低。因此，所有的複合膜都顯示出比普通膜更高的導電性。

填料與聚合物膜的均勻混合導致了無定形性質的增加，這進一步有助於提高質子導電性。與其他膜相比，6%的填料濃度的膜表現出最大的電導率。由於納米管的聚集阻礙了聚合物膜中的離子通道，因此8wt%的含填料膜的電導率出現了輕微的下降。

由於添加了W-TNT填料，複合膜的抗拉強度比SPEEK膜高。抗拉強度的增加是由於兩個因素，首先，膜被無機填料加固，其次，填料的親水性質增加了水的吸收，從而導致彈性性能的增加。

SPEEK中6%的鎢酸氧化鈦納米管獲得了22.1兆帕的最佳拉伸強度，這是因為W-TNT的分佈最為均勻，沒有任何結塊，有助於將施加的應力分散到整個膜上。當W-TNT的比例超過這一最佳水準，即8%時，膜的強度下降到19.6兆帕，這是由於較高濃度的填料導致應力集中在W-TNT/SPEEK複合材料的介面。

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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