Enhancing Performance and Stability of High-Temperature Proton Exchange Membranes through Multiwalled Carbon Nanotube Incorporation into Self-Cross-Linked Fluorenone-Containing Polybenzimidazole

材料科学 碳纳米管 纳米管 化学工程 芴酮 质子 化学稳定性 纳米技术 复合材料 聚合物 物理 工程类 生物 量子力学 遗传学
作者
Jinzhen Huang,Gongyi Wei,Aogui Wu,Dong Liu,Lei Wang,Jing‐Li Luo
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (20): 25994-26003 被引量:13
标识
DOI:10.1021/acsami.4c00052
摘要

Addressing critical challenges in enhancing the oxidative stability and proton conductivity of high-temperature proton exchange membranes (HT-PEMs) is pivotal for their commercial viability. This study uncovers the significant capacity of multiwalled carbon nanotubes (MWNTs) to absorb a substantial amount of phosphoric acid (PA). The investigation focuses on incorporating long-range ordered hollow MWNTs into self-cross-linked fluorenone-containing polybenzimidazole (FPBI) membranes. The absorbed PA within MWNTs and FPBI forms dense PA networks within the membrane, effectively enhancing the proton conductivity. Moreover, the exceptional inertness of MWNTs plays a vital role in reinforcing the oxidation resistance of the composite membranes. The proton conductivity of the 1.5% CNT-FPBI membrane is measured at 0.0817 S cm-1 at 160 °C. Under anhydrous conditions at the same temperature, the power density of the 1.5% CNT-FPBI membrane reaches 831.3 mW cm-2. Notably, the power density remains stable even after 200 h of oxidation testing and 250 h of operational stability in a single cell. The achieved power density and long-term stability of the 1.5% CNT-FPBI membrane surpass the recently reported results. This study introduces a straightforward approach for the systematic design of high-performance and robust composite HT-PEMs for fuel cells.
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