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电解质膜研究新进展:亚纳米水性片材实现氢离子超快传输

1滴水创建了一个100平方米的三维水性纳米片!

近日,日本科技科学振兴机构(JST)一项最新研究成果。他们成功地合成了“三维水性片”,其中水分子在膜中无限连接,实现聚合物膜的高速质子传导。此外,他们通过聚合和固定陀螺仪结构,成功地合成了聚合物膜,并显示了实际应用的可能性。预计可实如燃料电池电解质膜所需的节能、低环境影响和低成本等要求。

东京农业大学生物功能科学系副教授Naohiro Ichikawa和谢菲尔德大学曾献兵(音译,Xian-bing Zeng)博士所在的小组通过“分子设计”,成功地合成了具有Gyroid结构的聚合物薄膜,其能够在三维空间中实现无限引导。通过将膜浸泡水,沿着Gyroid界面结构吸收水分子,并且产生厚度小于1nm并且在三维上无限扩展的水分子片(三维水性片)。此外,在这个水性片中,氢离子(质子)通过“牛顿摆”(Newton’s cradle)运输,实现极快的质子传导率(10-1 Scm-1 )。

质子导电聚合物膜是包括燃料电池在内的各种装置中的重要组分。为了在聚合物膜中实现高速质子传导,在膜中形成水分子的“氢键网络”是关键。这是因为水分子网络的存在使得质子得以运输。这种传动机制可以与“牛顿摆”进行比较(图1)。换句话说,对于优异的质子传导膜的开发而言,重要的是水分子在膜的前部到后部不间断地排列。

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图1  以牛顿摇篮形式的质子传输图像

迄今为止,具有磺酸基团的氟聚合物如Nafion已被广泛用作质子传导聚合物膜。聚合物链随机排列在Nafion膜中,结果磺酸基团也随机排列。当水被引入到该膜中时,水分子开始在磺酸基团周围排列,为了将无序排列的磺酸基团与水分子桥接,必须引入许多水分子。如果膜中的磺酸基团可以以相等的间隔,并且从膜的前部到后部连续排列,则能够确保水分子连续性,水分子不易蒸发并且与磺酸基团强烈连接。作为高度控制聚合物膜中磺酸基团排列的方法,通过在聚合物膜中产生具有三维连续周期性的螺旋结构,水分子不间断地排列。研究者专注于产生“三维牛顿摇篮”的方法(图2)。

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图2  牛顿摇篮的例子

螺旋结构是20世纪60年代发现的单元结构,在设计重量轻、强度高的材料时引起了人们的注意。近年来,使用3D打印机也可以容易地制造网格长度为几厘米的陀螺结构,但是“设计网格长度为几纳米的陀螺结构的技术它的应用仍在发展中。

到目前为止,研究小组已开发出许多两亲分子,这些分子自发形成螺旋结构。在这项研究中,我们将各种结构结合在一起,例如将可聚合官能团引入这些两亲分子中,并挑战了陀螺结构的聚合和稳定。

在分子设计、实际合成和纯化方面存在很多困难,但研究组的成员Tsubaki Kobayashi博士还是成功开发了下列结构(图3)。通过使用所开发的两亲分子产生螺旋结构,并且通过光照射分子时聚合产生同时保持螺旋结构,并且可以生产自支撑聚合物膜。

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图3  设计和合成的两亲分子的结构和纳米结构聚合物膜的制备

该聚合物薄膜的结构分析表明,它具有沿着Gyroid界面结构排列亲水性磺酸基团的结构(图4中心的紫色)。此外,当对其中水浸渍到聚合物膜中的含水膜进行同步加速器X射线散射测量时,发现在紫色层中开始形成厚度为1nm或更小的蓝色层(图4右)。这被认为是因为结合到膜中的水分子自发地聚集并与陀螺仪界面处的磺酸基团对齐,是无限连续的。可以认为形成“三维水性片”。

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图4  聚合物薄膜中纳米结构的分析

检测聚合物膜中的质子传导性,发现聚合物显示出与现有质子传导聚合物膜相当(或更好)的导电率(10-1Scm-1 )。通过三维水性片材,出现了像“牛顿摇篮”这样的质子传导机制,并且认为质子的高速传输正在发生。

预期该研究结果获得的聚合物膜可以用作燃料电池的电解质膜。此外,鉴于对聚合物电解质膜在广泛领域中的需求不断增长,可以预期其作为聚合物膜将在未来的广泛研究中进行创新。他们进行了详细的纳米结构分析。研究结果发表在皇家化学学会“化学科学”的在线版本中。该研究是JST战略创造研究推进项目PRESTO中的一个项目。

未来,研究者们计划将本研究中开发的膜实际应用于燃料电池,并评估其应用于燃料电池时的性能。与现有的质子传导聚合物膜相比,该膜具有非常精确的纳米结构,这可以极大地改善与电极上的催化剂界面处的质子交换。

文/钱海

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