化學所 Angew: 大面積胺化石墨炔薄膜用于直接甲醇燃料電池

【背景介紹】

如今，直接甲醇燃料電池（DMFC）以其便攜性、安全性、高能量密度和可再生性等優點而被廣泛關注。雖然Nafion膜是質子交換膜（PEM）的標桿，但是其高質子傳導性伴隨著嚴重的甲醇滲透，進而降低了甲醇的利用效率，并使陰極催化劑中毒。多孔二維材料（石墨烯，h-BN）具有良好的尺寸穩定性，可以用來降低甲醇的滲透。但是，大面積二維材料制備和可控穿孔技術方面目前還有很多的問題需要解決，難以獲得大面積可以用于DMFC的多孔二維材料。近年來，二維原子晶體石墨炔（GDY）由于在選擇性納米孔道、尺寸穩定性和制備方法等方面具有獨特的優勢，其已經在儲能、催化和光電子領域展現出強大的潛力。將石墨炔與Nafion有效結合，兩者在質子傳導性和甲醇抑制等方面優勢互補，可以得到理想的DMFC膜。

【成果簡介】

近日，中科院化學所的李玉良院士團隊設計和制備了大面積胺基功能化石墨炔，這樣保證了石墨炔膜在多層結構時同樣具有很好的選擇透過功能，同時也能通過酸堿相互作用增強Nafion和石墨炔的相容性，調節Nafion在石墨炔上的微相分離，進一步增強膜的選擇性透過功能，他們和浙江理工大學蔣仲慶教授（共同通訊作者）合作，將其用在解決DMFC的甲醇滲透問題，展現出很好的甲醇抑制作用，為從分子尺度解決甲醇滲透提供了新的思路。該工作成功避開了穿孔技術和薄碳膜制備方面的挑戰，將有利于推動高選擇性的二維多孔石墨炔膜在眾多新興領域的應用研究。研究成果以題為“Large-Area Aminated-Graphdiyne Thin Film for Direct Methanol Fuel Cells”發布在國際著名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。

【圖文解讀】

圖一、NH₂-GDY的表征
（a-c）NH₂-GDY膜的SEM圖、AFM高度圖和TEM圖；

（d）NH₂-GDY膜的有序結構高分辨；

（e）（d）中的ABSF濾波圖像；

（f）選定區域電子衍射（SAED）；

（g）NH₂-GDY的結構模擬；

（h）多層NH₂-GDY的堆積圖，不同顏色顯示質子的傳輸通道；

（i-j）AA堆疊的六邊形孔道；

（k-l）AB堆疊的菱形孔道；

（m）NH₂-GDY膜中夾層之間質子傳輸機理。

圖二、Nafion與NH₂-GDY之間的相互作用的表征
（a-c）復合薄膜的XPS光譜；

（d）樣品的一維掠入射X射線衍射圖（1D-GIXRD）；

（e）嵌入Nafion中的NH₂-GDY薄膜的TEM圖像；

（f）Nafion誘導相分離的放大圖像；

（g）在Nafion中NH₂-GDY的放大圖像；

（h）NH₂-GDY表面附近的高分辨率TEM圖像；

（i）Nafion可能在NH₂-GDY上組裝模式；

（j-m）NH₂-GDY薄膜附近的元素分布。

圖三、可能的組裝形式和理論模擬
（a-c）顯示Nafion在NH₂-GDY上組裝的示意圖；

（d-e）當水合質子和甲醇分子通過NH₂-GDY時的能量變化；

（f）質子傳導率的溫度依賴性；

（g）在1 M甲醇溶液中和65℃時，甲醇穿透電流密度。

圖四、電化學性能
（a-c）具有Nafion、NH₂-GDY@Nafion-25和NH₂-GDY@Nafion-60的DMFC的極化曲線和功率密度；

（d）在50 mA cm^-2的電流密度下，DMFC的穩定性。

【總結】

綜上所述，作者首先制備了結構明確的2D NH₂-GDY，以實現質子與甲醇之間良好的選擇性。基于這種膜的DMFC顯示出更好的性能。該工作旨在構建具有選擇性的2D碳材料，避開了射孔技術和薄碳膜制備所面臨的挑戰，從而為解決燃料電池、電池、催化劑、氣體分離純化等方面的選擇性轉移問題開辟了新途徑。

文獻鏈接：Large-Area Aminated-Graphdiyne Thin Film for Direct Methanol Fuel Cells（Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201910588）

本文由CQR編譯。

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