中原工學院邵志超、翟黎鵬、米立偉JMCA:磺酸基COF助力Nafion膜高效質子傳輸

kongxy 9個月前 (01-08) 1521瀏覽

01、導讀

質子交換膜燃料電池(PEMFC)具有高功率密度、安全便攜、清潔高效的能源利用技術，在解決能源短缺和環境污染方面具有廣闊的應用前景。通過質子導電材料設計構建性能優異的燃料電池是必要和迫切的。研究表明在現有的膜材料中引入功能化納米填料可以提高質子交換膜含水量和保水能力，有望提高質子轉移通道的連續性，增強質子轉移。

共價有機框架(COFs)有序的納米孔通道可以提供有序的質子傳輸路徑，增加質子在納米孔中的載流子數量，從而獲得較高的質子導電性。與其他多孔填料相比，由于共價鍵的相對穩定，COFs具有優異的熱穩定性和化學穩定性。良好的穩定性和與聚合物的親和力，可最大程度避免界面缺陷的形成。如果將磺酸基COFs成功引入質子傳導聚合物中，可以提供額外的質子轉移位點，從而提高膜的離子交換能力，形成界面質子轉移通道，有望為上述困境提供潛在的解決方案。

02、成果掠影

鑒于此，中原工學院、鄭州大學和山東大學聯合報道了一種高結晶度和大比表面積的磺酸基功能化親水二維COF (ZUT-COF-SO3H)，磺酸鹽負載達到4.76 mmol/g。隨后，將合成的ZUT-COF-SO3H樣品作為納米填料制備COF-Nafion質子交換膜。良好的親水性和穩定性使復合膜具有良好的保水性。同時，豐富的磺酸鹽位點和規律的通道為質子輸運提供了保證。在溫和條件下(80%濕度)，ZUT-COF-SO3H摻雜量為10%時，COF-Nafion膜的質子電導率為0.1338 S·cm-1，是純Nation膜的2.4倍。將10%ZUT-COF-SO3H-Nafion組裝在燃料電池中作為質子交換膜，在電流密度為640.179 mA/cm2時，其最大功率密度為304.056 mW/cm2。這一結果歸因于ZUT-COF-SO3H的引入在保持質子載流子密度的同時增加了質子通量，為制備高性能質子導體提供了有價值的參考意義。

相關研究成果以“Sulfonated covalent organic framework packed nafion membrane with high proton conductivity for H2/O2?fuel cell applications”為題發表在《Journal of Materials Chemistry A》上。文章的第一作者是中原工學院青年教師邵志超博士，通訊作者為鄭州大學侯紅衛教授和中原工學院翟黎鵬副教授、米立偉教授，中原工學院為第一通訊單位。

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03、核心創新點

  • 通過合理設計，利用二維磺酸基功能化COF構建了新型多通道質子傳導膜，該膜在80%濕度下具有低活化能(0.086 eV)和優異的質子導電性(0.1338 S·cm-1)，與商用Nafion相比，質子傳導能力提高了2.4倍。
  • 將磺酸功能化COF改性的質子傳導膜應用于質子交換燃料電池中，最大功率密度達到304.056 mW/cm2。

04、數據概覽

圖1.?磺酸基COF結構及雜化膜制備示意圖。

圖2?不同摻雜比例COF-Nafion質子交換膜SEM和AFM圖。

圖3 COF-Nafion質子交換膜的表征。

圖4 COF-Nafion質子交換膜的性能測試。

 

05、成果啟示

綜上所述，該工作通過水熱法成功合成了一種具有高磺酸官能團化、良好結晶度和優異穩定性的COF材料，并將其用于制備具有高質子導電性的Nafion雜化膜。在較大的比表面積、有序的孔隙和高密度的磺酸單元的共同作用下，ZUT-COF-SO3H雜化膜的質子傳導性能顯著提高，組裝的燃料電池表現出較高的功率密度。本研究突出了磺酸單元在COFs功能中的重要作用，強調了COF-Nafion膜在質子交換燃料電池中的應用前景。隨著相關研究的不斷深入，COF-Nafion膜的性能將取得一系列突破。

文獻鏈接：Sulfonated covalent organic framework packed nafion membrane?with high proton conductivity for H2/O2?fuel cell application，J. Mater. Chem. A,?2023, DOI:10.1039/D2TA08435J

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/ta/d2ta08435j

本文由作者供稿

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