高温燃料電池用の導電性と耐久性が向上した多用途のヘプタジン-COFハイブリッドABPBI複合プロトン交換膜

弱い相互作用によってPAドープされたポリベンジミダゾール（PBI）膜からのリン酸（PA）の浸出が、そのプロトン導電性の低下の原因となり、高温プロトン交換膜燃料電池（HT-PEMFC）の性能と耐久性を深刻に妨げています。本研究では、豊富な基本的C = Nユニットと微多孔構造を特徴とするヘプタジン-COF（Hep-COF）をポリ（2,5-ベンジミダゾール）（ABPBI）とハイブリッド化し、HT-PEMFC用途のための複合膜を製造しました。導入されたHep-COFはPAとの酸塩基相互作用を強化し、PAを吸収する能力を高め、同時にPA、ABPBI、およびHep-COF間で頑丈で連続した水素結合ネットワークを形成しました。その結果、HT-PEMFC作動下でのPA-Hep-ABPBI膜の導電性とPA保持能力が向上しました。さらに、これらの水素結合ネットワークは、複合膜の機械的特性と化学的安定性の向上にも寄与しています。その結果、最適化されたサンプル20Hep-ABPBI複合膜は、180℃で105 mS cm− 1のかなりのプロトン導電性を示し、単一セルテストで479 mW cm− 2のピーク電力密度を達成しました。これは、従来のABPBI膜の2.3倍に相当します。さらに、PA-20Hep-ABPBI膜を用いた単一セルのPA損失率（26.95 ng h− 1 cm− 2）と電圧劣化率（25 mV h− 1）は、180℃での連続120時間の作動後の従来のABPBI膜よりも低かったです。この研究は、高性能プロトン交換膜の設計と開発のための貴重な戦略を提供しました。