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  化石燃料的過度消耗以及隨之而來的環境污染問題給人們的日常生活和身體健康帶來了嚴重的問題。甲醇是一種清潔、廉價的燃料，它具有高的能量密度且方便存儲。直接甲醇燃料電池可以將甲醇的化學能直接轉化成電能。由于其具有低污染排放、高能效、較長的運行時間、簡便的能量供應而受到廣泛關注。作為甲醇燃料電池中的核心部件之一，質子交換膜對于整個電池的性能起著至關重要的作用。

  然而，質子交換膜在使用過程中由于以下兩種原因極易產生機械損傷：

  1）在電池內部的質子交換膜長期處于溶脹狀態，因此膜表面很容易產生微小的裂紋；

  2）甲醇燃料電池在實際使用中不可避免地會遭受撞擊或震蕩，從而使質子交換膜產生貫穿整個膜的孔洞。

  這些損傷會導致大量的甲醇由電池的陽極滲透到陰極，從而大大降低電池的使用壽命。因此，為了保證甲醇燃料電池能夠長期穩定地工作，賦予質子交換膜修復機械損傷的能力是至關重要的。

  有鑒于此，吉林大學超分子結構與材料國家重點實驗室的孫俊奇教授課題組將Nafion和聚乙烯醇（PVA）形成的氫鍵復合物膜通過后浸泡的方式修飾上對醛基苯甲酸（CBA）分子，從而制備了可修復機械損傷并恢復自身原有質子傳導率、甲醇阻隔能力及電池性能的本征型自修復質子交換膜。

圖1. 用于甲醇燃料電池的自修復質子交換膜

  研究表明，自修復質子交換膜中的PVA組分可以通過氫鍵相互作用交聯Nafion中的磺酸基團從而形成比傳統的Nafion膜更小更密集的質子傳輸通道。同時，該膜內羥基和磺酸基團之間形成的氫鍵網絡以及膜的高含水量也為質子傳輸提供了連續的路徑。因此，該自修復質子交換膜在80 °C的水中展現出較高的質子傳導率（0.11 S/cm），這一數值比傳統的Nafion膜高出20%。

圖2. 自修復質子交換膜的制備及結構表征

圖3. 質子傳導率

  研究人員還發現：與傳統的Nafion膜相比，該自修復質子交換膜具有更優異的機械性能，其斷裂強度和伸長率分別可達~20.3 MPa和~380%。并且，PVA的引入使膜展現出了十分優異的甲醇阻隔能力。

  在電池性能的測試中，該自修復質子交換膜同樣展現出了比Nafion膜更優異的性能，其最高能量密度和最高電流密度分別達到68.7 mW/cm2和222 mA/cm2。重要的是，該自修復質子交換膜可以在80 oC的2 M的甲醇溶液中修復貫穿整個膜的機械損傷并恢復原有的甲醇阻隔能力以及電池性能。需要強調的是，該膜的修復條件是甲醇燃料電池的工作條件，這意味著一旦損傷發生，該膜可以在工作狀態下自發修復損傷。

圖4. 機械損傷修復性能以及甲醇透過率的恢復

圖5. 甲醇燃料電池性能

  總之，自修復性能的引入大大地提高了質子交換膜以及甲醇燃料電池的使用壽命和可靠性。制備該自修復質子交換膜所用的都是商業化的材料，并且膜的制備過程十分簡單，不需要復雜的儀器設備。這些都十分有利于自修復質子交換膜的規模生產。我們相信這項工作為制備具有優異電池性能的自修復質子交換膜開辟了新的思路。

  文獻鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201707146