氧化石墨烯在燃料电池质子交换膜中的应用

保护环境，开发环保型能源，对人类和社会具有重要意义。质子交换膜燃料电池由于其能量转化率高，可实现零排放，近年来引起了电池领域研究者们的兴趣。氧化石墨烯（GO）由于存在活性氧官能团，可以和离子型聚合物进行复合以制备复合质子交换膜。氧化石墨烯类的复合质子交换膜应用于燃料电池时可以提高膜在高温低湿度条件下的质子传导率，降低甲醇渗透率，提高电池的功率密度。本文首先介绍了氧化石墨烯的制备方法，然后从不同的离子型聚合物基质复合质子交换膜的类别出发，详细介绍了氧化石墨烯在Nafion、聚醚醚酮、聚苯并咪唑和壳聚糖等不同种类的离子型聚合物中的应用现状及作用机理，同时对其在质子交换膜的应用方面存在的问题及应用前景做了评论和展望。

在当今社会，全球主要的能源需求主要来源于天然气、煤和石油等化石能源，然而由于人们毫无限制的使用这些能源，这些能源正面临枯竭，而且，由于这些能源会释放有毒的化学物质，造成的环境污染问题日益严峻。为了解决能源危机和环境污染问题，人们研究开发了燃料电池。燃料电池是一种利用氧气和其他物质反应使化学能转换为电能的装置。质子交换膜燃料电池（PEMFCs）作为一种清洁能源已经被人们研发出来，这种电池主要应用于汽车和一些便携式电力装置。

质子交换膜（PEMs）是燃料电池的主要部件，它分离了阴极和阳极；为质子传输提供了通道。对比于普通燃料电池的电解质而言，质子交换膜的主要优点是高的质子传导率、质量较轻、柔韧性较、较高的热稳定性和力学性能。现阶段研究最为广泛的质子交换膜为Nafion膜，结构如图1所示。Nafion膜具有很多有优点，如化学稳定性和机械强度较好；质子传导率较高。然而，Nafion膜对水的渗透率较高，在高温低湿度条件下的质子传导率较低。现如今二维单层石墨烯的发现给研究者们提供了新的思路。石墨烯是一种很重要的材料，它的比表面积可达到2630m2/g，电导率可达到104.63S/cm，抗折强度可达到44.28MPa，具有很强的化学稳定性能和良好的气体阻隔性能。氧化石墨烯是石墨烯的一种衍生物，这种衍生物的C与O的比例为2∶1，氧化石墨烯中的含氧基团有环氧基、羟基、羰基和羧基，这些含氧基团使氧化石墨烯成为一种绝缘亲水性材料。此外，氧化石墨烯还具有石墨烯的特征，如机械强度、比表面积、不透气性。总之，不透气性、亲水性和高的质子传导率使氧化石墨烯成为一种很好的质子交换膜材料。此外，氧化石墨烯的晶格层间距大于0.625nm，比石墨烯的晶格层间距(0.335nm)要大很多。本文作者主要综述了氧化石墨烯在燃料电池质子交换膜中的应用以及对质子交换膜的影响，最后对氧化石墨烯在质子交换膜中的应用进行了展望。

结论与展望

氧化石墨烯（GO）作为一种新型的燃料电池质子交换膜的复合材料，具有大的表面积，可以提高质子交换膜的保水性能，因而可以保证膜在高温低湿度条件下的质子传导率。磺化的氧化石墨烯中的磺酸基团可以与聚合物基质产生相互作用，在膜中形成了亲水相-疏水相的相分离结构，从而可以形成了质子传输通道，有利于提高复合膜的质子传导率。此外，氧化石墨烯加入离子型聚合物中，应用于甲醇燃料电池（DMFCs）时，还可以提高膜的阻醇性能。当氧化石墨烯和离子型聚合物形成的复合膜在电池中进行测试时的数据较好。

然而，GO与离子型聚合物制备的复合膜具有一些缺点，例如，膜的耐久性和稳定性能较差、GO和聚合物基质之间的界面结合力较弱，从而不利于其应用于离子型复合质子交换膜，这就需要通过共价键修饰对GO进行改性，以提高膜的稳定性能或耐久性能和膜的表面形态。研究者可以利用GO易于共价功能化的优势，选择合适的聚合物基质进行复合以制备应用于质子交换膜的复合膜。此外，对于氧化石墨烯/离子型聚合物复合质子交换膜的研究更多的是在实验室中，为了达到工业化的生产，实现其应用价值，科研工作者还需要进一步的努力。