保護(hù)環(huán)境，開發(fā)環(huán)保型能源，對(duì)人類和社會(huì)具有重要意義。質(zhì)子交換膜燃料電池由于其能量轉(zhuǎn)化率高，可實(shí)現(xiàn)零排放，近年來引起了電池領(lǐng)域研究者們的興趣。氧化石墨烯（GO）由于存在活性氧官能團(tuán)，可以和離子型聚合物進(jìn)行復(fù)合以制備復(fù)合質(zhì)子交換膜。氧化石墨烯類的復(fù)合質(zhì)子交換膜應(yīng)用于燃料電池時(shí)可以提高膜在高溫低濕度條件下的質(zhì)子傳導(dǎo)率，降低甲醇滲透率，提高電池的功率密度。本文首先介紹了氧化石墨烯的制備方法，然后從不同的離子型聚合物基質(zhì)復(fù)合質(zhì)子交換膜的類別出發(fā)，詳細(xì)介紹了氧化石墨烯在Nafion、聚醚醚酮、聚苯并咪唑和殼聚糖等不同種類的離子型聚合物中的應(yīng)用現(xiàn)狀及作用機(jī)理，同時(shí)對(duì)其在質(zhì)子交換膜的應(yīng)用方面存在的問題及應(yīng)用前景做了評(píng)論和展望。

在當(dāng)今社會(huì)，全球主要的能源需求主要來源于天然氣、煤和石油等化石能源，然而由于人們毫無限制的使用這些能源，這些能源正面臨枯竭，而且，由于這些能源會(huì)釋放有毒的化學(xué)物質(zhì)，造成的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻。為了解決能源危機(jī)和環(huán)境污染問題，人們研究開發(fā)了燃料電池。燃料電池是一種利用氧氣和其他物質(zhì)反應(yīng)使化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFCs）作為一種清潔能源已經(jīng)被人們研發(fā)出來，這種電池主要應(yīng)用于汽車和一些便攜式電力裝置。

質(zhì)子交換膜（PEMs）是燃料電池的主要部件，它分離了陰極和陽極；為質(zhì)子傳輸提供了通道。對(duì)比于普通燃料電池的電解質(zhì)而言，質(zhì)子交換膜的主要優(yōu)點(diǎn)是高的質(zhì)子傳導(dǎo)率、質(zhì)量較輕、柔韌性較、較高的熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能。現(xiàn)階段研究最為廣泛的質(zhì)子交換膜為Nafion膜，結(jié)構(gòu)如圖1所示。Nafion膜具有很多有優(yōu)點(diǎn)，如化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度較好；質(zhì)子傳導(dǎo)率較高。然而，Nafion膜對(duì)水的滲透率較高，在高溫低濕度條件下的質(zhì)子傳導(dǎo)率較低。現(xiàn)如今二維單層石墨烯的發(fā)現(xiàn)給研究者們提供了新的思路。石墨烯是一種很重要的材料，它的比表面積可達(dá)到2630m2/g，電導(dǎo)率可達(dá)到104.63S/cm，抗折強(qiáng)度可達(dá)到44.28MPa，具有很強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性能和良好的氣體阻隔性能。氧化石墨烯是石墨烯的一種衍生物，這種衍生物的C與O的比例為2∶1，氧化石墨烯中的含氧基團(tuán)有環(huán)氧基、羥基、羰基和羧基，這些含氧基團(tuán)使氧化石墨烯成為一種絕緣親水性材料。此外，氧化石墨烯還具有石墨烯的特征，如機(jī)械強(qiáng)度、比表面積、不透氣性。總之，不透氣性、親水性和高的質(zhì)子傳導(dǎo)率使氧化石墨烯成為一種很好的質(zhì)子交換膜材料。此外，氧化石墨烯的晶格層間距大于0.625nm，比石墨烯的晶格層間距(0.335nm)要大很多。本文作者主要綜述了氧化石墨烯在燃料電池質(zhì)子交換膜中的應(yīng)用以及對(duì)質(zhì)子交換膜的影響，最后對(duì)氧化石墨烯在質(zhì)子交換膜中的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

結(jié)論與展望

氧化石墨烯（GO）作為一種新型的燃料電池質(zhì)子交換膜的復(fù)合材料，具有大的表面積，可以提高質(zhì)子交換膜的保水性能，因而可以保證膜在高溫低濕度條件下的質(zhì)子傳導(dǎo)率。磺化的氧化石墨烯中的磺酸基團(tuán)可以與聚合物基質(zhì)產(chǎn)生相互作用，在膜中形成了親水相-疏水相的相分離結(jié)構(gòu)，從而可以形成了質(zhì)子傳輸通道，有利于提高復(fù)合膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率。此外，氧化石墨烯加入離子型聚合物中，應(yīng)用于甲醇燃料電池（DMFCs）時(shí)，還可以提高膜的阻醇性能。當(dāng)氧化石墨烯和離子型聚合物形成的復(fù)合膜在電池中進(jìn)行測(cè)試時(shí)的數(shù)據(jù)較好。

然而，GO與離子型聚合物制備的復(fù)合膜具有一些缺點(diǎn)，例如，膜的耐久性和穩(wěn)定性能較差、GO和聚合物基質(zhì)之間的界面結(jié)合力較弱，從而不利于其應(yīng)用于離子型復(fù)合質(zhì)子交換膜，這就需要通過共價(jià)鍵修飾對(duì)GO進(jìn)行改性，以提高膜的穩(wěn)定性能或耐久性能和膜的表面形態(tài)。研究者可以利用GO易于共價(jià)功能化的優(yōu)勢(shì)，選擇合適的聚合物基質(zhì)進(jìn)行復(fù)合以制備應(yīng)用于質(zhì)子交換膜的復(fù)合膜。此外，對(duì)于氧化石墨烯/離子型聚合物復(fù)合質(zhì)子交換膜的研究更多的是在實(shí)驗(yàn)室中，為了達(dá)到工業(yè)化的生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用價(jià)值，科研工作者還需要進(jìn)一步的努力。