史乐教授， Small观点：具有垂直排列蒙脱石纳米通道的高性能质子交换膜

第一作者：高宇栓

通讯作者：史乐*

单位：西安交通大学

质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其高效、模块化、可靠性和环保性等特点被视为适用于航天器和电动车等应用的下一代可持续清洁能源装置，质子交换膜（PEM）作为其核心部件，起着促进质子传导、隔离电子传输并防止气体渗透等的作用。目前，商用最广泛的PEM是全氟磺酸（PFSA）型PEM，该类型PEM长期受欧美和日本等国垄断，其特征是碳氟骨架和磺酸侧链，最著名的例子之一是Nafion膜。然而，PFSA型PEM制备过程复杂、生产成本高且膜中含危害环境的氟化物，面向以上“卡脖子”问题，需自主创新开发高质子传导性能、高成本效益以及环境友好性的下一代新型PEM材料。

近日，来自西安交通大学的史乐教授团队在国际知名期刊Small上发表题为“High-Performance Proton Exchange Membrane with Vertically Aligned Montmorillonite Nanochannels”的观点文章。该观点文章首次自主研发了一种具有垂直排列跨膜二维蒙脱石（MMT）质子传输纳米通道结构的新型PEM，名为VAPMM。VAPMM同时具备高质子传导率、低成本、环境友好等多个PEM所需特点，在装配形成膜电极后，其燃料电池功率密度可以达到同等厚度商用Nafion膜的4倍以上，该工作也为具有高沿面质子传输性能的各类二维材料在PEM中进行进一步实际应用提供了有效的参考思路。

将体相 MMT 剥离成 2D 纳米片后，采用真空抽滤工艺制备了柔性的 2D MMT 纳米片堆叠结构薄膜，并将其裁剪成特定尺寸后封装成二维纳米流器件进行沿面质子传导率测试。结果表明，该 2D 本征 MMT 堆叠结构薄膜的沿面质子传导率可达 100 S·cm⁻¹ 量级。然而，实验发现，该薄膜在水相环境中稳定性较差，尤其是膜边缘与液态水接触的部分在测试过程中出现部分溶解。由于质子交换膜燃料电池（PEMFC）内部环境通常处于高湿条件，且阴极反应会产生水，这一缺陷限制了 2D 本征 MMT 堆叠结构薄膜在 PEM 领域的直接应用。因此，若要充分利用 MMT 的高质子传导特性，必须提高其水相稳定性。

为了增强 MMT 的水相稳定性，实验通过在 MMT 纳米片表面吸附多巴胺（DA），诱导其自聚形成聚多巴胺（PDA）部分包覆 MMT 纳米片的结构，并借助分子动力学模拟验证了该结构在提升水相稳定性方面的有效性。PDA-MMT 纳米片堆叠形成薄膜后，表现出良好的水相稳定性和较强的氧化稳定性，满足 PEM 进一步应用的需求。进一步研究表明，该 PDA-MMT 薄膜在至少一个月内保持了 0.58 S·cm⁻¹ 的平均沿面质子传导率，波动较小，显著高于同厚度 Nafion 薄膜的 0.16 S·cm⁻¹，展现出优异的质子传输性能

将 PDA-MMT 薄膜裁剪成统一形状，并垂直封装嵌入环氧树脂立方体中，利用精密线切割技术加工出最薄约 150 μm 的 垂直（V）排列（A）PDA 插层（P）MMT（M）薄膜（M），即 VAPMM。在膜电极（MEA）组装测试中，VAPMM 在典型工况下实现了 534.00 mW·cm⁻² 的峰值功率密度，是同等厚度商用 Nafion N117 膜（116.17 mW·cm⁻²）的 4 倍以上，并表现出优异的循环稳定性和耐久性。本研究首次成功实现了 垂直排列的跨膜质子传输纳米通道在 PEM 领域的应用，同时也为类似二维材料在 PEM 中的应用提供了新的前景。

VAPMM 具备超越传统 PEM 的质子传导率与燃料电池输出性能，展现出作为下一代新型 PEM 的潜力。然而，目前 VAPMM 基 MEA 体系的性能尚未完全发挥，仍存在较大优化空间。若能进一步开发适用于 VAPMM 的 气体扩散电极（GDE），预计其 MEA 性能将得到大幅提升，推动燃料电池技术的进一步发展。

High-Performance Proton Exchange Membrane with Vertically Aligned Montmorillonite Nanochannels

史乐教授简介：西安交通大学电气学院教授、博士生导师，电气学院副院长。2013年本科毕业于北京大学元培学院（物理学专业），2017年博士毕业于香港科技大学机械与航空航天工程学系（导师：赵天寿院士）。2018年底加入西安交通大学电气学院。主要从事氢燃料电池膜电极材料研发工作，在国际知名期刊发表SCI论文60余篇，其中以第一/通讯作者在Nat. Commun.等期刊发表SCI论文40余篇。论文被引用3000余次，h因子27。入选国家级高层次青年人才项目、陕西省高层次青年人才项目等。

高宇栓简介：2018年本科毕业于西北工业大学，现为西安交通大学博士研究生，师从史乐教授，研究领域为二维黏土矿物基新型质子交换膜的设计与研发。