A versatile Heptazine-COF hybridized ABPBI composite proton exchange membrane with enhanced conductivity and durability for high temperature fuel cell

材料科学 复合数 电导率 燃料电池 耐久性 磷酸 质子交换膜燃料电池 微型多孔材料 复合材料 化学工程 化学稳定性 膜电极组件 质子输运 质子 氢键
作者
Shijie Ge,Ying Yang,Tao Zhang,Hanyu Wu,Shizhe Wang
出处
期刊:Advanced composites and hybrid materials [Springer Science+Business Media]
卷期号:9 (1)
标识
DOI:10.1007/s42114-025-01598-2
摘要

The leaching of phosphoric acid (PA) from PA-doped polybenzimidazole (PBI) membrane caused by the weak interaction is the origin of its proton conductivity attenuation, which seriously hinders the performance and durability of high-temperature proton exchange membrane fuel cells (HT-PEMFCs). In this study, the Heptazine-COF (Hep-COF) featuring abundant basic C = N units and microporous structure was hybridized with the poly (2,5-benzimidazole) (ABPBI) to fabricate the composite membrane for HT-PEMFC applications. The introduced Hep-COF reinforced acid-base interaction with PA, enhanced the capacity to absorb PA, and simultaneously formed robust and continuous hydrogen bond networks among PA, ABPBI, and Hep-COF, resulting in the enhanced conductivity and PA retention ability of PA-Hep-ABPBI membrane under the HT-PEMFC operation. Furthermore, these hydrogen bond networks additionally contribute to enhanced mechanical properties and chemical stability of the composite membranes. Consequently, the optimized sample 20Hep-ABPBI composite membrane showed a considerable proton conductivity of 105 mS cm− 1 at 180 ℃, enabling a peak power density of 479 mW cm− 2 in single cell test- 2.3 times higher than that of pristine ABPBI membrane. In addition, the PA loss rate (26.95 ng h− 1 cm− 2) and voltage degradation rate (25 mV h− 1) of the single cell with PA-20Hep-ABPBI membrane were also lower than that of pristine ABPBI membrane after the continuous 120 h operation at 180 ℃. This work offered a valuable strategy for designing and developing a kind of high-performance proton exchange membranes.
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