Nafion是一種具有梳型結(jié)構(gòu)的聚合物電解質(zhì),由全氟碳主鏈和磺酸基封端的氟醚側(cè)鏈所構(gòu)成。Nafion可以通過(guò)自組裝發(fā)生微相分離,形成尺寸為3-5納米的離子相區(qū),實(shí)現(xiàn)高效質(zhì)子傳導(dǎo)并表現(xiàn)出優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性,是制備質(zhì)子交換膜的商業(yè)化標(biāo)桿材料。然而,Nafion面臨著聚合物電解質(zhì)材料的共性問(wèn)題:即難以同時(shí)提升質(zhì)子傳導(dǎo)性和力學(xué)穩(wěn)定性。由于Nafion的氟鏈具有很強(qiáng)的化學(xué)惰性,很難通過(guò)共價(jià)化學(xué)直接改變其分子結(jié)構(gòu)。因此,基于非共價(jià)作用的有機(jī)無(wú)機(jī)雜化策略被廣泛用于提升Nafion的力學(xué)強(qiáng)度和傳導(dǎo)性能。然而,由于大多數(shù)無(wú)機(jī)基元與Nafion之間存在較大的尺寸及極性差異,使其很難被精準(zhǔn)牢固地引入到Nafion的納米離子相區(qū),嚴(yán)重影響了雜化改性的效果。在此背景下,探索新型雜化基元與雜化策略來(lái)實(shí)現(xiàn)Nafion的精準(zhǔn)修飾及改性,是Nafion基質(zhì)子交換膜的重要發(fā)展方向。
圖一:多金屬氧簇兩親物合成及其Nafion雜化膜的制備示意圖
在該工作中,作者將短鏈聚乙二醇(PEG)共價(jià)接枝到單缺位簇[SiW11O39]8-的骨架上,合成了有機(jī)無(wú)機(jī)雜化的多金屬氧簇兩親物(GSiW11)。有趣的是,PEG接枝顯著降低了簇的水溶性。而且,PEG鏈可以通過(guò)氫鍵作用與Nafion的磺酸基團(tuán)發(fā)生絡(luò)合。通過(guò)這種設(shè)計(jì),GSiW11可以在成膜過(guò)程中與Nafion發(fā)生共組裝,并選擇性地分布和固載到離子納米相中,從而實(shí)現(xiàn)Nafion改性。
要點(diǎn)如下:
圖二:Nafion及其雜化膜的力學(xué)性能、質(zhì)子電導(dǎo)率和電導(dǎo)率穩(wěn)定性
圖五:Nafion及雜化膜的燃料電池性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性
總之,該工作展示了無(wú)機(jī)納米團(tuán)簇在Nafion改性方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),相關(guān)結(jié)果可用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)面向新能源需求的高性能電解質(zhì)材料。
原文鏈接:https://doi.org/10.1021/acsnano.2c08614
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