ChemSusChem：构筑相互连贯的两性离子功能化的共价多孔材料结构用于有效促进质子交换膜的质子传导

质子交换膜燃料电池（PEMFC）由于在便携式、固定化和自动化绿色能源装置中的应用，受到了持续而广泛的关注。质子交换膜（PEM）是PEMFC的核心部件，有效提升PEM的质子传导率和降低PEM的燃料渗透率可以极大增强PEMFC的工作性能。构建具有高质子传导率和低燃料渗透率的PEM，对于PEMFC的实际应用是极其重要的，同时也是颇具挑战的。近日，华中科技大学刘宏芳老师团队与复旦大学汤蓓蓓老师团队合作构建了相互连贯的两性离子功能化的共价多孔材料（CNT@ZSNW-1）,并将其与全氟磺酸树脂Nafion结合制得了相应的复合质子交换膜（CNT@ZSNW-1/RN）。作者重点探讨了CNT@ZSNW-1/RN的质子传导提升机制、甲醇渗透抑制机制等，并将其组装成甲醇燃料单电池表明了其理想的实际应用潜力。

研究发现相互连贯的两性离子功能化的共价多孔材料（CNT@ZSNW-1）的亲水性两性离子可以提升复合PEM的保水性，也为复合PEM提供了额外的质子传递位点，此外，CNT@ZSNW-1的连贯结构使得膜中的离子簇以更加连续的方式进行重排。这些极大地降低了质子传递阻力，进而使得复合PEM表现出高质子传导率。复合PEM在90 ℃, 95% RH下的质子传导率高达0.287 S cm^-1，较未改性Nafion膜（RN）提升了近1.2倍。另一方面，复合PEM的纳相分离通过CNT@ZSNW-1和Nafion的相互作用被调节，使得甲醇渗透通道变得曲折，CNT@ZSNW-1的屏障效应也阻碍了甲醇渗透，并且，复合PEM中聚合物链的运动由于CNT@ZSNW-1的位阻效应、CNT@ZSNW-1和Nafion的静电作用而受限，这进而使得复合PEM中自由体积降低。这些因素导致甲醇渗透阻力变大，从而使得复合PEM具有低甲醇渗透率。复合PEM的甲醇燃料单电池在60 ℃下的最大功率密度为39.6 mW cm^-2，较RN高出近99%。同时，复合PEM的甲醇燃料单电池的电压输出稳定性明显优于RN。

该工作为设计和构造具有优化结构的功能化共价多孔材料用于制备高性能PEM提供了有效参考。

论文信息

Efficiently Boosted Proton Transfer of Proton Exchange Membrane by Interconnected and Zwitterion Functionalized Covalent Porous Material Structure

Zhuang Rao, Deyu Zhu, You Xu, Minqiu Lan, Lipei Jiang, Zhengyun Wang, Beibei Tang, Hongfang Liu

该论文通讯作者为华中科技大学化学与化工学院刘宏芳教授和复旦大学高分子科学系汤蓓蓓副教授。

ChemSusChem

DOI: 10.1002/cssc.202202279