Angew：氧化铋团簇对Nafion的精确分子水平修饰助力高性能质子交换膜

Nanoyu

2020-12-10

通过分子水平杂化技术调节质子交换膜的微观结构，制备具有高离子电导率和优异机械稳定性的质子交换膜（PEMs）仍然是高性能质子交换膜燃料电池发展的关键，同时也是高性能质子交换膜燃料电池进一步发展的挑战。

近日，东北师范大学李阳光教授，臧宏瑛教授，中科院长春应化所Xiaozheng Duan报道了通过将纳米氧化铋（{H₆Bi₁₂O₁₆}）团簇精确杂化到Nafion中，成功制备了高性能杂化膜，Nafion-Bi₁₂-3%，在80 ℃、低甲醇渗透率的水溶液中，其质子电导率为386 ms cm^-1，并保持了优异的机械和化学稳定性。

文章要点

1）研究人员利用分子动力学(MD)模拟，从分子水平上阐明了Nafion-Bi₁₂-3%的结构特性和组装机理。在静电和氢键相互作用的驱动下，阳离子{H₆Bi₁₂O₁₆}团簇可以精确识别并与Nafion的阴离子侧链组装在一起，从而引起膜中亲水/疏水纳米相的显著优化。因此在Nafion-Bi₁₂-3％膜中，每种成分的独特和基本物理化学性质自然地并入了杂化膜中。

2）基于Nafion-Bi₁₂-3％的直接甲醇燃料电池的最大电流密度和功率密度分别达到432.7 mA cm^-2和110.2 mW cm^-2。

这项工作为通过多金属氧酸盐杂化设计多功能功能聚合物电解质膜提供了新的见解。

参考文献：

Bailing Liu, et al, Precise Molecular-level Modification of Nafion with Bismuth Oxide  Clusters  for  High-performance  Proton  Exchange Membranes, Angew. Chem. Int. Ed., 2020

DOI: 10.1002/anie.202012079

https://doi.org/10.1002/anie.202012079