天津科技大学轻工科学与工程学院司传领团队在纳米纤维素基复合质子交换膜的构建方面取得重要研究进展

氢燃料电池具有能量密度高、低温启动响应快、易模块化安装和操作方便等优点，在交通动力电源、分布式发电等领域展现出重大应用潜力。然而，作为氢燃料电池的核心部件，质子交换膜仍面临质子传导率与机械强度矛盾、化学稳定性不足等瓶颈问题，严重制约氢燃料电池的商业化进程。

近日，天津科技大学轻工科学与工程学院司传领教授团队及合作者，针对燃料电池商用质子交换膜电导率低、机械强度弱等瓶颈问题，创新性地提出了一种基于钙离子交联的纳米纤维素/海藻酸钠复合网络锚定二维MXene纳米片的新型质子交换膜的设计策略，相关工作以题为“Engineered Nanochannels in MXene Heterogeneous ProtonExchange Membranes Mediated by CelluloseNanofiber/Sodium Alginate Dual Crosslinked Networks”发表在材料科学领域著名期刊《Advanced Functional Materials》，并被遴选为封面文章（图1）。轻工学院青年教师朱礼玉为该论文第一作者，司传领和徐婷教授为通讯作者，天津科技大学为第一单位和通讯作者单位。

图1. 该工作被遴选为《Advanced Functional Materials》封面文章

图2. CNF/SA/MXene复合质子交换膜的制备流程及质子传输机制示意图

理论上，作为燃料电池的核心部件，质子交换膜必须同时满足多种标准，从界面结构稳定性到界面化学和形态，再到优异的质子传导性能。与直接堆叠二维纳米片制成的膜材料相比，利用混合维度组装的设计理念可以有效地控制片层之间的组装行为和优化片层之间的离子传输通道，并通过异质连接界面进一步提高稳定性。在制备的CNF/SA/MXene复合膜中，质子可以在MXene-水分子界面和离子交联的聚合物网络之间的界面电荷转移的帮助下实现快速传导。

图3. CNF/SA/MXene复合质子交换膜的质子传导行为及燃料电池性能

通过钙离子与CNF/SA复合体系的配位，具有丰富氢键网络的MXene纳米片被牢固地锁定在异质聚合物网络中，从而在复合膜内部构建多维度的质子传导通道。在水介导的运输环境中，水中的质子转移和质子的可逆表面氧化还原过程可以在MXene纳米片的界面处发生，即H3O+中的质子转移到MXene表面的O原子上形成-OH，在一定时间间隔后释放质子回到水分子中。在这个过程中，质子扩散主要是水内发生的质子转移，而不是通过MXene。确切地说，界面电荷转移和由此产生的极化作用有助于在水-MXene界面形成更致密、更定向的质子传导通道，从而增强质子传导。该工作展示的利用金属离子交联聚合物锚定MXene纳米片制备新型质子交换膜的概念可以为新型二维功能膜的设计提供新的研究思路。

近年来，轻工学院司传领教授团队在造纸纤维原料及林木生物质材料高值利用领域持续开展研究，成果先后在Energy & Environmental Science、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Nano-Micro Letters、Energy Storage Materials及Carbon Energy等权威期刊发表。

全文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202419334

编辑：田珺