研究综述

　　电化学能量转换技术，代表性的如质子交换膜燃料电池（PEMFCs），凭借高效、低排放的运行特性，对推动氢能经济发展、助力低碳能源体系转型具有关键作用。作为PEMFCs的核心组件，质子交换膜（PEMs）需要同时具备高质子导电性、优异的机械耐久性与出色的气体阻隔性能，在温度循环波动、外力冲击、活性氧（ROS）侵蚀等严苛工况下维持长期稳定。以Nafion为代表的商用全氟磺酸（PFSA）膜虽具有优异的质子传导性能，但氟化副产物引发的环境问题日益受到关注（2023年欧盟针对超过10000种氟烷基物质（PFAS）提出全面限制提案），且PFSA材料抗机械损伤能力较弱——在应力作用下易产生微裂纹甚至穿刺破损，造成燃料渗透，进而缩短膜电极组件（MEA）的使用寿命。因此，开发兼具抗穿刺与自修复功能的质子交换膜，对保障燃料电池运行安全性与可靠性至关重要。

　　近日，华南理工大学前沿软物质学院、先进造纸与纸基材料全国重点实验室王号兵教授团队报道了一种通过化学与物理协同作用构建的新型非氟化聚烯烃基质子交换膜。该膜以稀土催化剂催化异戊二烯选择性聚合为基础，经部分氢化、硫醇-烯点击反应及氧化反应制备得到。所得聚合物为磺酸官能化的多嵌段聚烯烃结构：由源自3,4-聚异戊二烯单元的刚性聚（3-甲基-1-丁烯）链段和源自顺式-1,4-聚异戊二烯单元的柔性乙烯-丙烯交替序列组成。柔性序列赋予材料充足的链运动自由度以实现自主自修复功能，而刚性链段的聚集效应以及离子簇内的动态静电交联作用协同耗散冲击能量，使该膜的抗穿刺性能显著优于Nafion。水合状态下，亲水性磺酸簇与疏水性碳氢化合物基体可形成清晰的双连续微相分离结构，支撑高效质子传输，实现高的质子导电率。并且在H₂/O₂燃料电池中测试时具有良好的功率密度和长期稳定性。这项工作不仅为商用PEM提供了潜在的材料体系，还提高了人们对无氟聚烯烃基质子交换膜材料的研究兴趣，同时该PEM材料也非常容易进一步适配到到液流电池、电解水制氢等氢能领域其他场景中。

图1. 磺化聚烯烃无氟PEMs的结构设计与作用机制

图2. 材料的合成表征与微观形貌、基础性能

图3. 质子传导性能与传输机制

图4. 力学韧性、自修复与抗穿刺性能

图5. H2-O2燃料电池的性能与耐久性

研究总结

　　本工作开发出一类新型耐穿刺、自修复的功能聚烯烃无氟质子交换膜（PEMs），具体地，通过稀土催化精准调控分子链微观结构，构筑出独特的化学—物理双网络结构。该设计从分子层面同步实现了多重性能协同：疏水全碳骨架保障力学强度与化学稳定性，亲水离子簇构建高效质子传输通道，刚柔协同结构赋予材料自主自修复与超强抗穿刺能力。优化后的膜材料在质子传导率、机械安全性、气体阻隔性与燃料电池稳定性等多项指标上对标甚至超越商用全氟膜Nafion，且体系合成路线可扩展、结构可调性强。该研究建立了一套绿色无氟、性能均衡的质子交换膜制备新策略，为下一代高安全、长寿命、可持续的质子交换膜开发提供了全新的材料平台与设计思路。

论文信息

　　相关研究成果以“Non-Fluorinated Functional Polyolefin for Puncture-Resistant and Self-Healable Proton Exchange Membranes of Fuel Cells”为题发表于国际著名期刊《Angewandte Chemie International Edition》。论文共同第一作者为华南理工大学博士生刘越和刘禄，共同通讯作者为华南理工大学王号兵教授、殷盼超教授和日本理化学研究所侯召民教授。

　　论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.6272190

部分通讯作者简介

　　王号兵，华南理工大学前沿软物质学院教授、博士生导师，先进造纸与纸基材料全国重点实验室科研骨干，绿色造纸关键技术与智能化研究方向学术带头人。国家“万人计划”青年拔尖人才项目获得者。主要研究方向包括塑料废弃物资源化利用，开发高分子合成及解聚和催化剂以实现材料循环利用，生物质资源新材料开发等方向。主持国家重点研发计划、国家自然科学基金、省市团队项目、企业委托项目10余项，在JACS等国际顶级期刊发表论文20余篇，授权专利3项。