钨酸氧化钛纳米管提高燃料电池离子交换能力

离子交换能力是离子膜的重要特性，这一特性随着离子交换材料的添加而增强。由于磺酸基（SO3H）的贡献，纯SPEEK膜的IEC值为1.9meq g^-1。在磺化聚醚醚酮（SPEEK）膜中增加钨酸氧化钛纳米管（W-TNT）的含量可提高燃料电池离子交换能力。

离子交换的增加归因于TNT中存在的离子交换位点（钨酸），除了SPEEK的磺酸基团之外，TNT也参与了离子交换过程。即使添加2wt%的W-TNT也能将IEC值从1.9meq g^-1提高到2.5meq g^-1，这意味着大量的钨酸存在于TNT中。

SPEEK 6% W-TNT复合膜的最大IEC值为3.2meq g^-1。而SPEEK 8% W-TNT显示出IEC值的下降，这可能是由于细小颗粒的聚集阻碍了离子交换组参与离子交换过程。膜内的水分子在质子传导中起着重要的作用。膜的吸水量越大，就越有利于质子的扩散。一般来说，由于亲水性的增加，膜的吸水率随着IEC的增加而增加。

亲水性的W-TNT填料提高了SPEEK膜的持水能力。因此，所有复合膜的吸水率值都高于纯SPEEK。最大的吸水值由SPEEK 6% W-TNT复合膜显示（19.24%），该值对于在潮湿条件下工作的燃料电池的膜来说更容易承受。

在SPEEK膜中加入W-TNT填料颗粒的目的是为了加强复合膜内的质子传输，这可以通过两种方式实现：TNT的中空性质可以在膜内保留大量的水分子（由于其管状形态），从而提高了水介导的质子传导途径（Grotthuss机制）。除了SPEEK的磺酸盐基团之外，钨酸氧化钛纳米管中的离子交换基团（钨酸）也可以参与质子交换过程。这种综合作用使得复合膜对质子的运动阻力降低。因此，所有的复合膜都显示出比普通膜更高的导电性。

填料与聚合物膜的均匀混合导致了无定形性质的增加，这进一步有助于提高质子导电性。与其他膜相比，6%的填料浓度的膜表现出最大的电导率。由于纳米管的聚集阻碍了聚合物膜中的离子通道，因此8wt%的含填料膜的电导率出现了轻微的下降。

由于添加了W-TNT填料，复合膜的抗拉强度比SPEEK膜高。抗拉强度的增加是由于两个因素，首先，膜被无机填料加固，其次，填料的亲水性质增加了水的吸收，从而导致弹性性能的增加。

SPEEK中6%的钨酸氧化钛纳米管获得了22.1兆帕的最佳拉伸强度，这是因为W-TNT的分布最为均匀，没有任何结块，有助于将施加的应力分散到整个膜上。当W-TNT的比例超过这一最佳水平，即8%时，膜的强度下降到19.6兆帕，这是由于较高浓度的填料导致应力集中在W-TNT/SPEEK复合材料的界面。

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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