Nafion是一种具有梳型结构的聚合物电解质,由全氟碳主链和磺酸基封端的氟醚侧链所构成。Nafion可以通过自组装发生微相分离,形成尺寸为3-5纳米的离子相区,实现高效质子传导并表现出优异的化学稳定性,是制备质子交换膜的商业化标杆材料。然而,Nafion面临着聚合物电解质材料的共性问题:即难以同时提升质子传导性和力学稳定性。由于Nafion的氟链具有很强的化学惰性,很难通过共价化学直接改变其分子结构。因此,基于非共价作用的有机无机杂化策略被广泛用于提升Nafion的力学强度和传导性能。然而,由于大多数无机基元与Nafion之间存在较大的尺寸及极性差异,使其很难被精准牢固地引入到Nafion的纳米离子相区,严重影响了杂化改性的效果。在此背景下,探索新型杂化基元与杂化策略来实现Nafion的精准修饰及改性,是Nafion基质子交换膜的重要发展方向。
图一:多金属氧簇两亲物合成及其Nafion杂化膜的制备示意图
在该工作中,作者将短链聚乙二醇(PEG)共价接枝到单缺位簇[SiW11O39]8-的骨架上,合成了有机无机杂化的多金属氧簇两亲物(GSiW11)。有趣的是,PEG接枝显著降低了簇的水溶性。而且,PEG链可以通过氢键作用与Nafion的磺酸基团发生络合。通过这种设计,GSiW11可以在成膜过程中与Nafion发生共组装,并选择性地分布和固载到离子纳米相中,从而实现Nafion改性。
要点如下:
图二:Nafion及其杂化膜的力学性能、质子电导率和电导率稳定性
图五:Nafion及杂化膜的燃料电池性能和长期稳定性
总之,该工作展示了无机纳米团簇在Nafion改性方面的独特优势,相关结果可用于指导设计面向新能源需求的高性能电解质材料。
原文链接:https://doi.org/10.1021/acsnano.2c08614
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