Polyethyleneimine-confined halloysite nanotubes for poly(2,5-benzimidazole) composite membranes with phosphoric acid retention and proton conductivity via ion pairs for wide-temperature PEMFCs

磷酸 材料科学 无水的 埃洛石 复合数 电导率 化学工程 复合材料 有机化学 化学 生物化学 物理化学 工程类 冶金
作者
Qingting Liu,Zhiwei Ling,Xiaohe Wang,Xudong Fu,Wenzhuo Wu,Chunyong Xiong,Bei Wang,Rong Zhang,Xiao Li,Feng Zhao,Xujin Bao,Shengfei Hu,Jun Yang
出处
期刊:Composites Science and Technology [Elsevier BV]
卷期号:242: 110199-110199 被引量:29
标识
DOI:10.1016/j.compscitech.2023.110199
摘要

To prevent phosphoric acid (PA) from leaching and harming traditional polybenzimidazole-based proton exchange membranes, polyethyleneimine-confined halloysite nanotubes (PEI@HNTs) were embedded in poly (2,5-benzimidazole) membranes to construct rich ion pairs that stably conducted protons. With the aid of supercritical carbon dioxide, PEI oligomers with basic groups were confined in HNTs. Then, through in-situ synthesis, highly-dispersed PEI@HNT enhanced the mechanical stability of composite membranes, whose basicity improved the absorption and retention capacity of PA. The PEI@HNTs/ABPBI composite membrane exhibited excellent mechanical strength and electrical performance over a temperature range of 40–180 °C. The through-plane proton conductivity of the 5%PEI@HNTs/ABPBI composite membrane was 0.061 S cm−1 at 98% relative humidity and 90 °C and 0.049 S cm−1 under anhydrous conditions at 180 °C. This performance was attributed to strong hydrogen bonding between PEI and PA, as well as the excellent retention of bound water within the HNTs. The peak power density of PA-doped 5%PEI@HNTs/ABPBI composite membrane reached 0.235 W cm−2 and 0.418 W cm−2 at 120 °C and 180 °C under anhydrous conditions, respectively, which were 1.68 and 1.96 times higher than those obtained with the pristine PA-ABPBI membrane. These results highlight the potential of this composite membrane for applications requiring a wide temperature range.
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