基于自增湿燃料电池的Nafion/细菌纤维素增强膜设计及制备的研究

For proton exchange membranes (PEM) used for proton exchange membrane fuel cell, they should possess not only high proton conductivity but good chemical stability, reactant separation, good mechanical strength and low-cost. The inorganic nanoparticle-supported bacterial cellulose (BC) membrane is proposed as reinforcing substrate for commonly used perfluocarbon proton membrane (Nafion membrane). Taking advantage of good scavenging properties of inorganic nanoparticles for both hydroxyl radicals and peroxide radicals, the reinforced Nafion membrane will harvest improved chemical resistance. The inorganic nanoparticle-supported BC substrate can endow the Nafion membrane with enhanced mechanical properties with reduced membrane thickness and cost. The processing will be explored for the preparation of reinforced Nafion membrane. The cell performance of as-prepared reinforced Nafion membrane fuel cells will be investigated, especially its self-humidifying performance and proton conductivity under low humid conditions. The main objective of this project is to explore the interactions between Nafion macromolecules and inorganic nanoparticle-supported BC substrate, with an aim to reveal the membrane-forming mechanism for hydrophilic substrate-reinforced PEMs. The implementation of this project can expand the design concept of bacterial cellulose reinforced Nafion membrane. More importantly, the valuable research result from this project can provide good reference from both methodology and theory for the reinforcement of PEMs with nanoparticle-supported hydrophilic substrate.

针对质子交换膜燃料电池用质子交换膜，在满足质子导通性能的同时必须兼具抗化学衰减、高隔离性能、高力学性能、低成本等要求；项目拟采用无机纳米粒子负载的细菌纤维素纳米复合材料为增强基体、通过溶液浇注全氟磺酸质子交换膜 (Nafion膜)以获取增强的燃料电池用质子交换膜；利用细菌纤维素表面均匀植入的纳米粒子其分解羟基自由基、过氧自由基等功能，提高Nafion膜的抗化学退化能力；利用纳米粒子负载的细菌纤维素复合材料改善机械强度、降低膜厚及成本；探索纤维素纳米复合材料增强Nafion膜的制备工艺；考察增强膜的电池性能，尤其是低湿度运行条件下的膜自增湿和高质子导通性；重点探讨Nafion膜与细菌纤维素聚合物链之间相互作用，揭示亲水性基体增强质子交换膜成膜机制。本项目的研究成果不仅能够拓展细菌纤维素纳米纤维增强全氟磺酸质子交换膜的设计理念，更为亲水性纳米纤维增强质子交换膜的设计和应用提供方法和理论指导。

随着全球石化资源日益紧缺，人类对可再生资源的关注程度越来越大。纤维素作为地球上最丰富的天然高聚物，对其的开发应用已成为当今研究热点之一。与植物纤维素相比，通过微生物发酵获得的细菌纤维素具有特有的物理、化学和生物学特性、发酵过程的可调控性及发酵底物的多样性而被世界上公认为性能优异的新型生物材料。目前，细菌纤维素开发与研究过程中存在着细菌纤维素价格偏高、实际应用领域多为附加值较低的食品行业，制约着细菌纤维素工业化进程。 .本项目通过理论与技术的自主创新和行业内的应用为动力，针对细菌纤维素制备及形态难调控的难题，采用胞内代谢调控和胞外组装方式控制相结合方式，提高细菌纤维素产量的同时，制备不同形态的细菌纤维素，在此基础上进行细菌纤维素杂化材料的制备，研制出应用于生物材料和新能源应用领域的系列产品，形成了三个方面的重大科技创新。 .(1) 采用化学物质对木醋杆菌合成过程及产物胞外组装过程进行调控，提高产量的同时，构建出不同形貌结构的细菌纤维素纳米纤维。 .(2) 采用液态力学谱仪对细菌纤维素凝胶体系中纤维素分子对水分子作用域大小的精确测定技术，解决了细菌纤维素分子模板效应制备杂化材料技术难题，成功设计并掌握纳米粒子与细菌纤维素的化学复合技术，实现了细菌纤维素与纳米粒子杂化材料的可控合成技术。 .（3）细菌纤维素-无机纳米材料制备：通过分子印迹技术制备出CeO2/BC杂化纳米纤维，以此为基础制备的细菌纤维素/nafion复合膜，显示其具有较强的抗羟自由基破坏能力，提高了细菌纤维素/nafion复合膜的使用寿命。并同时采用细菌纤维素为模板，合成出La2CuO4纳米棒，具有催化温度低、选择性好、产物转化率高等优点，为甲醇重整制氢与质子交换膜燃料电池联用提供了有效途径。.（4）细菌纤维素/nafion膜的质子导通能力达0.075S/cm；相对湿度100％时复合膜的尺寸变化率小于5%；细菌纤维素/nafion组装成的单电池性能测试结果表明：开路电压高于1.0伏特，电流密度达0.7A/cm2时，其峰值功率密度为0.31W/cm2。.以朱秀林教授为鉴定委员会主任委员的鉴定组，一致认为本项目研究成果创新性强，形成了具有完全自主知识产权的核心技术，总体水平达到国际先进水平，其中细菌纤维素调控制备技术达到国际领先水平。