基于卟啉分支结构的磷酸掺杂高温聚合物电解质膜实现宽温域稳定燃料电池运行

　　针对高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)在宽温域运行中磷酸(PA)流失导致性能下降的难题，吉林大学团队通过一步聚合法设计出含卟啉分支单元的聚(芳基哌啶)(TPP-2)膜。该膜利用卟啉的π-π堆叠效应与PA的强静电相互作用，在80-160°C范围内实现83.73 mS cm-1 的质子传导率，PA保留率超60%，单电池峰值功率密度达742 mW cm-2 ，为开发宽温域HT-PEMFC提供了创新解决方案。

　　

随着全球能源结构转型加速，质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其零排放、高效率特性成为氢能利用的核心技术。然而传统全氟磺酸膜(PFSA)依赖水分子传导质子，需复杂加湿散热系统，而聚苯并咪唑/磷酸(PBI/PA)体系在湿度波动时面临PA流失难题，严重制约高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)的宽温域应用。如何通过材料创新同时实现高质子传导率和PA稳定保留，成为突破技术瓶颈的关键。

吉林大学研究团队在《Journal of Membrane Science》发表的研究中，创新性地将卟啉分支单元引入聚(芳基哌啶)骨架，通过超酸催化一步聚合制备TPP-2聚合物膜。该研究采用¹
H NMR和UV光谱表征分子结构，通过动态机械分析(DMA)评估力学性能，结合交流阻抗谱测定质子传导率，并采用恒电流法测试单电池耐久性。

材料设计与合成
通过TFSA催化p-三联苯、N-甲基-4-哌啶酮与四苯基卟啉共聚，获得具有三维分支结构的TPP-2聚合物。核磁共振显示哌啶环亚甲基特征峰分裂为3.53/3.25 ppm和2.93/2.31 ppm，证实分支结构的成功构建。

微结构与性能调控
卟啉单元的π-π堆叠作用诱导形成微相分离结构，PA掺杂后膜内形成连续质子传输通道。TPP-2/PA膜在160°C无水条件下质子传导率达83.73 mS cm^-1
，较线性PTP膜提升约40%。

PA保留机制
卟啉中氮原子与PA形成强静电相互作用，使膜在60°C/50% RH和160°C/0% RH条件下均保持60%以上PA含量，显著优于传统PBI膜。

燃料电池性能
基于TPP-2/PA的单电池在80°C和160°C分别实现251 mW cm^-2
和742 mW cm^-2
的峰值功率密度，且在80°C恒流(0.2 A cm^-2
)测试中电压衰减率仅0.179 mV h^-1
，稳定性远超线性膜体系。

该研究通过分子设计创新实现了三大突破：首先，卟啉分支结构协同优化微相分离与PA锚定，解决了传统膜材料"高传导率-低稳定性"的矛盾；其次，超酸催化聚合工艺大幅简化了传统PBI的复杂合成路线；最后，80-160°C的宽温域适应性使HT-PEMFC可适应寒冷启动与高温运行的极端工况。这项工作为开发新一代非 humidification-dependent（非湿度依赖型）燃料电池提供了重要理论依据和材料平台，对推动氢能技术商业化具有里程碑意义。