钨酸功能化氧化钛纳米管的制备

研究人员通过水热法合成了氧化钛纳米管（Titanium oxide nanotubes, TNT），并在其表面共价接枝了钨酸（离子交换基）。合成的钨酸功能化TNT（W-TNT）通过SEM、TEM、XRD分析表征了纳米管的形态，并通过FTIR和固态核磁共振技术确认是否成功接枝。

研究中制造了不同比例的W-TNT（2%、4%、6%和8%）和磺化聚醚酮（SPEEK）的复合膜，从而获得了高离子交换性能。所制备的复合膜通过SEM、XRD、FTIR、吸水率、离子交换能力和质子电导率进行了表征，以确保该膜在燃料电池应用中作为电解质使用的适当性。

从研究中发现，含有6%W-TNT的SPEEK显示出最佳的电化学性能。在燃料电池中测试这种膜作为电解质与碳支持的铂阳极和阴极电极时，在80℃下达到了352 mW cm-2的最大功率密度。额外的离子交换基团（钨酸）的存在和TNT的中空性质导致了其性能比普通膜更好。

近年，人们越来越关注从可再生和生态友好的资源中获取能源，因此，燃料电池变得更加流行，因为它从燃料和氧化剂中产生能量，而且效率高，几乎没有排放。

在现有的不同类型的燃料电池中，质子交换膜燃料电池（PEMFCs）由于其独特的特点，如低操作温度、高电流密度下的持续操作、低重量、紧凑和高效率而具有优势。Nafon（市售质子导电膜）因其高质子导电性和良好的机械、化学和热稳定性而被广泛用于PEMFC。

但是，它的高成本、高燃料交叉行为和碳氢化合物骨架（非生态友好）使得它在作为PEMFC的电解质使用时具有严重的缺点。因此，研究人员一直致力于开发由碳氢化合物骨架组成的成本效益高且生态友好的聚合物膜。

聚醚酮（PEEK）、聚苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯（PSEBS）、聚醚砜（PES）、聚酰亚胺（PI）、聚乙烯咪唑（PVIM）、聚苯烯（PPE）和聚苯并咪唑（PBI）等高工程聚合物已经被改性（磺化）以取代萘芬。在这些膜中，磺化聚醚醚酮（SPEEK）由于其良好的热机械稳定性和体面的导电性，比其他膜被广泛研究。但这些性能都不如Nafon。因此，为了改善SPEEK的整体性能，纳米无机填料如TiO2、ZrO2和SiO2、SnO2、WO3被纳入SPEEK膜中。

研究表明，纳米颗粒的加入增加了亲水性，并为质子通过水分子的转移提供了一个优先的路径（Grotthuss机制）。此外，纳米颗粒的高比表面积增加了与聚合物的界面互动，从而增加了钨酸功能化氧化钛纳米管的热机械稳定性。

参考文献：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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