六方氮化硼与功能化多壁碳纳米管复合磺化聚砜膜的合成优化及其质子传导性能研究

　　本研究针对质子交换膜(PEM)在燃料电池应用中面临的高成本、低耐久性等问题，通过响应面法(RSM)优化六方氮化硼(hBN)与羟基化多壁碳纳米管(MWCNT-OH)复合磺化聚砜(PSf)膜的制备工艺。研究确定了hBN掺杂比(2.5%)、MWCNT-OH掺杂比(2.75%)和磺化时间(4.2 h)的最优组合，使膜质子传导率(PC)达20.15 mS·cm?1 ，同时提升机械强度与化学稳定性，为开发高性能质子交换膜燃料电池(PEMFC)提供了新策略。

　　

随着全球能源危机加剧，氢能作为清洁能源载体备受关注，而质子交换膜燃料电池(PEMFC)是其核心转换装置。然而，商业化全氟磺酸膜(如Nafion)存在成本高、氟污染等问题，且传统磺化聚合物膜常面临质子传导率(PC)与机械性能难以兼顾的挑战。为此，Gazi大学的研究团队通过纳米复合与工艺优化策略，开发了基于磺化聚砜(SPSf)的高性能质子交换膜，相关成果发表于《Inorganic Chemistry Communications》。

研究采用响应面法(RSM)结合面心复合设计(FCCD)，系统考察了hBN、MWCNT-OH掺杂比例及磺化时间对膜性能的影响。通过扫描电镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)等技术表征膜结构，并测试了质子传导率、溶胀率(SR)、芬顿重量损失等关键指标。

材料与方法
实验以聚砜(PSf)为基材，通过硫酸磺化引入-SO₃
H基团，采用溶液浇铸法将hBN和MWCNT-OH纳米粒子均匀分散于聚合物基质。通过中央复合设计(CCD)构建17组实验方案，利用ANOVA分析变量交互作用。

结果分析
结构表征：FTIR证实-SO₃
H基团成功接枝，SEM显示纳米粒子在基质中均匀分布，XRD表明hBN的(002)晶面衍射峰增强膜结晶度。
性能优化：hBN通过π-π堆叠和氢键作用提升机械强度（杨氏模量1016.7 MPa），MWCNT-OH的-OH基团通过Grotthuss机制促进质子传导。最优膜PC达20.15 mS·cm^?1
，较未掺杂膜提升47%。
耐久性测试：2.5% hBN掺杂使芬顿重量损失降至21.38%，表明其自由基清除效应可延缓化学降解。

结论与意义
该研究通过多变量协同优化，实现了质子传导率与机械/化学稳定性的平衡突破。hBN与MWCNT-OH的协同效应不仅构建了连续质子传输通道，还通过物理交联抑制了聚合物链溶胀。所开发的膜材料性能优于文献报道的ZSM-5/PSf复合膜(PC 9.65 mS·cm^?1
)和SPES/hBN膜，为低成本、长寿命PEMFC的工业化应用提供了重要参考。研究同时证实RSM在膜材料开发中的高预测精度（R²

0.95），为复杂复合材料体系优化提供了方法论范例。