Nafion是一種具有梳型結構的聚合物電解質,由全氟碳主鏈和磺酸基封端的氟醚側鏈所構成。Nafion可以通過自組裝發生微相分離,形成尺寸為3-5納米的離子相區,實現高效質子傳導并表現出優異的化學穩定性,是制備質子交換膜的商業化標桿材料。然而,Nafion面臨著聚合物電解質材料的共性問題:即難以同時提升質子傳導性和力學穩定性。由于Nafion的氟鏈具有很強的化學惰性,很難通過共價化學直接改變其分子結構。因此,基于非共價作用的有機無機雜化策略被廣泛用于提升Nafion的力學強度和傳導性能。然而,由于大多數無機基元與Nafion之間存在較大的尺寸及極性差異,使其很難被精準牢固地引入到Nafion的納米離子相區,嚴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實現Nafion的精準修飾及改性,是Nafion基質子交換膜的重要發展方向。
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)共價接枝到單缺位簇[SiW11O39]8-的骨架上,合成了有機無機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鏈可以通過氫鍵作用與Nafion的磺酸基團發生絡合。通過這種設計,GSiW11可以在成膜過程中與Nafion發生共組裝,并選擇性地分布和固載到離子納米相中,從而實現Nafion改性。
要點如下:
圖二:Nafion及其雜化膜的力學性能、質子電導率和電導率穩定性
圖五:Nafion及雜化膜的燃料電池性能和長期穩定性
總之,該工作展示了無機納米團簇在Nafion改性方面的獨特優勢,相關結果可用于指導設計面向新能源需求的高性能電解質材料。
原文鏈接:https://doi.org/10.1021/acsnano.2c08614
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