全球人口持续增长，导致能源需求不断上升，给自然资源带来了巨大压力，并加速了环境退化。为了缓解这些问题，开发清洁高效的电能技术至关重要[1]。最可行的化石燃料替代品是用于水解的水和生物材料[2]。从可再生资源中产生的氢气作为一种极具潜力的能源载体，有望取代柴油、煤油和汽油等化石燃料[3]。质子交换膜燃料电池（PEMFC）能够将化学能转化为电能，且无碳排放、噪音低，是实现氢能可持续利用的关键技术之一[1]。其高效率、快速启动能力和高功率密度使其非常适合固定式和移动式应用。
燃料电池的核心是质子交换膜（PEM），它将阳极与阴极分隔开。PEM能够阻止氧气进入阳极区，并高效地传输质子[4]。为了确保运行的耐用性和效率，PEM还需具备较高的机械强度并支持大规模生产[5]。
质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其高能量转换效率、高功率密度和零污染物排放而成为领先的替代能源技术[6]。通过使用具有高质子传导性（H+）和低燃料渗透性的PEM，可以进一步提高燃料电池的功率密度和效率。迄今为止，Nafion因其优异的化学稳定性和质子传导性而在氢/氧燃料电池领域得到广泛应用[7]。然而，其高昂的成本、在高温下的性能下降以及对甲醇等燃料的渗透性问题，促使人们致力于开发具有类似传导性及更好机械、热和环境特性的替代聚合物电解质膜。
迈向氢能未来的关键在于两项技术：生产绿色氢气的质子交换膜（PEM）电解器和利用氢气发电的PEM燃料电池。这些膜必须具备足够的机械强度，以承受振动和循环操作带来的应力[8]。虽然两者都基于PEM，但面临截然不同的物理挑战。固定式电解器需连续运行，因此其膜必须极其稳定且耐用，能够承受超过80,000小时的运行时间[9]；而车载燃料电池则需承受振动、冲击以及反复的加热和冷却循环，因此膜需要具备更高的强度和耐久性，通常使用时间超过8,000小时[8]。
最近，已开发出多种用于燃料电池的膜材料，包括聚丙烯腈（poly(acrylonitrile）[10]、聚甲基丙烯酸甲酯（poly(methyl methacrylate）[11]、聚苯乙烯磺酸盐（poly(styrene sulfonate）[12]、聚吡咯（PPy）[14]、聚氟乙烯（poly(vinylidine fluoride）[15]、聚苯胺（PANI）[16]和聚噻吩（PTh）[17]等。导电聚合物在这一领域备受关注，因为它们既有助于质子在复合膜中的传输，也促进了电子的传导[13]。此外，基于导电聚合物的膜还能实现多种化学物质的分离和传输，而不仅仅是质子和电子[18]。
PPy是能源存储应用中最具前景的聚合物之一。它是一种研究较为深入的导电聚合物，具有优异的稳定性、加工性能和光学特性，其导电性可在较大范围内调节。作为复合膜组分，PPy能够提供与高性能膜相当的机械强度和弹性[14]。
作为PEM的第二组分，常用的聚 vinyl alcohol（PVA）是一种耐用、无毒、生物相容的水溶性聚合物[19]。它还具备出色的化学、热稳定性和抗污染性能，以及良好的成膜能力[20]。PVA通过氢键作用促进质子传输。此外，通过简单的冻融循环工艺进行交联，可以进一步增强其机械性能[21]。近期研究聚焦于使用PVA改进甲醇燃料电池（MFC）用PEM的性能。例如，刘等人[20]研究了用PVA替代Nafion作为质子交换膜的效果，发现PVA不仅提高了膜的吸水能力，还提升了MFC的电压输出。Das等人[22]使用PVA和戊二醛制备了PEM，这些交联PEM不仅机械稳定性更强，还具有良好的抗菌性能和高功率密度。为了提高PEM的导电性、减少甲醇渗透和改善其机械及热性能，我们的团队将PVA与三甲氧基硅烷（methoxytrimethylsilane）、醋酸纤维素（cellulose acetate）、尼龙6,6/活性炭（Nylon 6,6 / activated carbon）及羧甲基纤维素/丙烯酰胺（carboxy methyl cellulose/ acrylamide）混合使用[23, 24, 20]
本研究的目的是开发并表征一种新的PVA–PPy–Si复合膜，以满足燃料电池对机械和化学性能的高要求。在该设计中，PVA作为结构基质，PPy提供导电性和稳定性，磺化硅醇则提供额外的质子传导位点和分子间相互作用。这些组分的协同作用旨在实现具有更高质子传导性、更强机械强度、更低甲醇渗透率和更好热稳定性的膜。
