ACS Nano：智能聚合物/氧化石墨烯的異質多孔膜及其離子傳輸性能

【引言】

多孔膜在分離、能源、生化傳感、納米流體等領域的潛在應用價值使其近年來一直是研究熱點。不過，隨著科學技術的發展和長期的應用推廣，不同的應用領域都不斷對多孔膜的智能化提出了更高的要求。穩定的智能環境響應性多孔膜已經成為目前科技發展的迫切需求。但是，單純依靠膜制備方式的改進，很難實現對多孔膜理化性質的根本改變。異質膜以其簡單的制備方式及多樣的功能受到了越來越多的關注。

【成果簡介】

近日，吉林大學化學學院特種工程塑料研究中心的姜振華教授，朱軒伯博士等與中科院理化所江雷研究員及周亞紅博士等合作，通過自組裝制備了大面積的高強的三維/二維的聚合物/氧化石墨烯的異質多孔膜。通過分子精密設計，將pH響應性的吡啶基團引入雙酚單體中，用其制備出一系列具有pH響應性的吡啶聯苯聚醚砜(PPSU-Pyx)，該聚合物與氧化石墨烯成功開發了一種表現出明顯的pH響應離子門控性能的新型聚合物石墨烯異質多孔膜。這一成果以題為“A Charge-Density-Tunable Three/Two Dimensional Polymer/Graphene Oxide Heterogeneous Nanoporous Membrane for Ion Transport”在線發表于ACS NANO上。

【圖文導讀】

圖 1. 異質膜的制備和結構示意圖

通過簡單的抽濾、旋涂制備智能聚合物/氧化石墨烯的異質多孔膜。

a)異質膜的制備

b)異質膜的形貌表征

c-e）異質膜結構示意圖

圖2. 聚合物的合成及表征

通過Suzuki偶聯、三元親核取代共聚可成功制備任意功能基團比例的聚合物。

a,b) 單體和聚合物的合成路線

c）局部的聚合物核磁譜圖

d）通過控制共聚單體比例，可調節聚合物膜的電荷密度。

圖 3. 聚合物微觀形貌表征

隨著吡啶含量的增加，孔隙率有所提高，孔徑并沒有發生大的變化。

a) PPSU-Py20的透射電鏡照片

b) PPSU-Py60的透射電鏡照片

c）PPSU-Py100的透射電鏡照片

d) 孔隙率和孔徑統計結果

圖 4. 異質膜ph響應離子門控性能

隨著pH值的改變，異質膜表現出“酸開堿關”的離子門控性能。這主要是由于薄膜孔道內浸潤性和電荷變化協同作用的結果。

a) 異質膜酸堿條件下的I-V曲線

b) 異質膜酸堿條件下電導變化

c) 酸堿條件下聚合物膜的接觸角

d) 酸堿條件下熒光共聚焦顯微鏡測試

e) 機理圖示

圖 5. 異質膜的離子整流性能

隨著功能基團的增多，整流比增大。

a) 異質膜典型整流曲線

b) 不同吡啶含量異質膜的整流情況

c) 濃度對整流的影響

d) 濃度對電導的影響

圖 6．異質膜在能量轉換方面的應用

隨著功能基團增多，最大功率增大。

a） 鹽差能量轉化器件示意圖

b） 各異質膜在不同外接電阻下的電流及功率

c） 各異質膜最大功率

【小結】

該工作通過分子控制實現了對三維多孔膜孔隙率及電荷密度的調控，多孔膜的孔徑基本維持一致，并通過簡單的抽濾、旋涂實現了系列異質膜的大面積制備。該系列膜都表現出明顯的pH響應離子門控和整流性能，并且該膜在能差發電器件方面有不錯的表現，拓寬了功能化特種工程高分子的應用前景，極大提高了多孔膜的實際應用潛力。

文獻鏈接：A Charge-Density-Tunable Three/Two Dimensional Polymer/Graphene Oxide Heterogeneous Nanoporous Membrane for Ion Transport(ACS NANO 2017, DOI:?10.1021/acsnano.7b03576)

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