Poly(2,5-benzimidazole)-Grafted Graphene Oxide as an Effective Proton Conductor for Construction of Nanocomposite Proton Exchange Membrane

材料科学 纳米复合材料 磷酸 质子导体 热稳定性 化学工程 电导率 氧化物 高分子化学 石墨烯 核化学 复合材料 化学 纳米技术 电解质 电极 工程类 物理化学 冶金 生物化学
作者
Xiang Qiu,Mitsuru Ueda,Huayuan Hu,Yuqian Sui,Xuan Zhang,Lianjun Wang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:9 (38): 33049-33058 被引量:66
标识
DOI:10.1021/acsami.7b07777
摘要

To improve proton conduction properties of conventional sulfonated poly(ether ether ketone) (SPEEK), poly(2,5-benzimidazole)-grafted graphene oxide (ABPBI-GO) was prepared to fabricate nanocomposite membranes, which then were further doped with phosphoric acid (PA). The ABPBI-GO was synthesized through the reaction of 3,4-diaminobenzoic acid with the carboxyl acid groups present on the GO surface. The simultaneous incorporation of ABPBI-GO and PA into SPEEK did not only improve the physicochemical performance of the membranes in terms of thermal stability, water uptake, dimensional stability, proton conductivity, and methanol permeation resistance but also relieve PA leaching from the membranes though acid-base interactions. The resulting composite membranes exhibited enhanced proton conductivities in extended humidity ranges thanks to the hygroscopic character of PA and the increased water uptake. Moreover, the unique self-ionization, self-dehydration, and nonvolatile properties of PA improved the high-temperature proton conductivities (σ) of PA-doped membranes. The PA-doped SPEEK/ABPBI-GO-3.0 delivered a σ of 7.5 mS cm-1 at 140 °C/0% RH. This value was fourfold higher than that of pristine SPEEK membranes. The PA-doped SPEEK/ABPBI-GO-3.0 based fuel cell membranes delivered power densities of 831.06 and 72.25 mW cm-2 at 80 °C/95% RH and 120 °C/0% RH, respectively. By contrast, the PA-doped SPEEK membrane generated only 655.63 and 44.58 mW cm-2 under the same testing conditions.
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