名古屋大学研究生院工学研究科的松尾丰教授、川角昌弥特任教授等人的研究团队，利用自主开发的水溶性富勒烯衍生物，开发出了可显著改善质子交换膜燃料电池（PEMFC）核心部件——“高分子电解质膜”耐久性的技术。该研究成果已发表在期刊《Communications Materials》上。
图1 水溶性富勒烯衍生物与OH自由基的清除（供图：名古屋大学）
以氢气为燃料进行发电的质子交换膜燃料电池（PEMFC），作为一种不排放二氧化碳的清洁电源，在汽车、固定式电源等多个领域的应用备受期待。燃料电池的核心部件——高分子电解质膜（PEM），要求具备优异的质子传导性以及机械和化学稳定性，但是由长时间运转产生的活性氧物种、尤其是羟基自由基和过氧自由基所引起的分解会持续加剧，出现膜变薄、形成针孔等劣化问题。富勒烯具有强大的自由基清除能力，但其与水及电解质膜的相容性较差，会在膜中凝聚，此前在实用化方面存在尚待解决的课题。
研究团队采用了合成可溶于水和酒精的新型富勒烯衍生物，并将其均匀分散到Nafion膜中这一方法。通过在富勒烯的球状碳结构上在指定位置上引入酚基、羧酸基等官能团，在保持π共轭结构的同时，实现了比传统羟基化富勒烯（富勒烯醇）更高的水溶性，并提高了与Nafion的亲和性。由此，富勒烯衍生物被稳定地保持在Nafion的离子簇中，能够以在整个膜中均匀分散的状态进行制膜。
这些富勒烯衍生物具有牢固螯合铈离子的性质，经确认，导入膜中的铈（Ce）即使在清洗和运转过程中也不会流出，且长时间维持了其自由基捕获能力。实际上，在采用芬顿试验进行的化学耐久性评估中，传统的Nafion膜快速分解并释放出大量氟离子，而含有富勒烯衍生物与Ce的杂化膜，其氟离子的释放量降低了约90%。
在采用电解质膜电极组件（MEA）进行的燃料电池运行状态下的耐久性测试中，也观察到了显著的改善。在高温、低湿度、高电压的加速测试条件下，传统Nafion膜约100小时便开始发生性能劣化，而新开发的PhCOOH-5-OH/Ce/Nafion杂化膜即便超过1050小时，开路电压（OCV）仍能稳定维持，实现了相较于传统膜10倍以上的寿命延长。此外，排水中氟化物离子的排放速度与未添加富勒烯衍生物的膜相比，降低至1/50。另外，生成的富勒烯阳离子物种被氢分子及微小的漏电流还原后，再次捕获自由基这一催化循环反复进行，表明该机制可使膜的稳定性长期维持。
所制备的杂化膜在质子传导性及机械特性方面，也表现出与传统膜同等或更优越的性能。研究表明，富勒烯衍生物中的羟基和羧酸基在提高保水性，促进质子传导的同时，还会通过与Nafion分子链的相互作用，提高膜的拉伸强度及弹性模量。具体而言，PhCOOH-5-OH/Nafion膜留下了拉伸强度25.5MPa、质子传导率0.12S/cm的记录，即便作为实用材料也具备充足的性能。
此次的研究成果实现了对曾经的PEMFC用电解质膜难题——“化学耐久性”的根本性改善，成为迈向未来燃料电池商用化及多用途应用以实现氢能社会的重要里程碑。采用水溶性富勒烯衍生物的自由基控制技术，不仅有助于提升燃料电池的耐久性，推动其在要求更长耐久性的大型卡车、船舶、铁路、工程机械等领域的多用途应用，而且其应用不仅限于燃料电池材料，在膜分离、催化剂、医疗材料等广泛领域的应用也备受期待。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Communications Materials
论文：Water-soluble fullerene derivatives as radical scavengers
for highly durable proton exchange membrane fuel cells
DOI：10.1038/s43246-025-00845-9
