質(zhì)子交換膜是利用電化學(xué)儲(chǔ)存間歇能源和為電力設(shè)備供電的各種技術(shù)的核心。目前最先進(jìn)的膜是基于半個(gè)多世紀(jì)前引進(jìn)的全氟磺酸。質(zhì)子的低特異性伴隨著其他物種的滲透，是能源可持續(xù)經(jīng)濟(jì)中各種綠色技術(shù)應(yīng)用的主要障礙之一。為此，本文提出的復(fù)合膜具有質(zhì)子選擇性，不允許除質(zhì)子以外的任何離子或分子種類的交叉。膜具有高的質(zhì)子導(dǎo)電性和優(yōu)異的機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性，因此在未來(lái)會(huì)顯著提高氫基技術(shù)的性能，例如電解槽，各種燃料電池和液流電池。
Figure 1. (a)石墨、干/濕GO、rGO薄膜的XRD比較。(b)由1PVP/GO (MW = 3.5 kDa)制備的復(fù)合膜的XRD圖。(c)不同復(fù)合膜rGO 、r(0.65 PVA/GO)、r(0.65 PVP/GO)的拉曼光譜。
Figure 2. (a) SEM圖顯示所得薄膜的珍珠質(zhì)結(jié)構(gòu)，厚度約為11μm。(b) r(PVP/GO)膜的照片。
Figure 3. (a)不同濃度KCl下復(fù)合膜r(0.65 PVP/GO) (MW = 3.5 kDa)的pH1/pH2梯度的OCV。(b)在含1M不同氯鹽的PH1/PH2溶液中，同一膜的OCV與各陽(yáng)離子的水合直徑關(guān)系圖。 (c)在1 M KCl的pH1/pH2梯度下的r(PVP/GO)膜和在不同PVP/GO比下無(wú)鹽溶液的OCV。(d)對(duì)于相同厚度和組成的PVP/GO=0.65的膜，pH1/pH2和1 M KCl溶液的OCV與PVP分子量(MW)的關(guān)系圖。
Figure 4. (a)PVP/HI
3絡(luò)合物中質(zhì)子線的結(jié)構(gòu)圖，其中PVP相對(duì)鏈的羰基之間共享氫鍵質(zhì)子。(b)由100ns經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬得到的整體頂部和側(cè)面圖。(c)分子和聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)顯示出明顯的質(zhì)子選擇性。
Figure 5. (a)含1.5 mL VOSO
4+3 M H
2SO
4的30 mLVFB電池容量隨時(shí)間的變化有兩種配置：兩個(gè)N212膜和夾在兩個(gè)N212膜之間的r(PVP/GO)膜。(b)充電釩電池(1.5 M V in 3m H
2SO
4)中0.5 mL的OCV，兩端均有石墨電極。
相關(guān)研究成果于2019年由新墨西哥州立大學(xué)化Sergei N. Smirnov課題組，發(fā)表在ACS Nano ( https://doi.org/10.1021/acsnano.9b05979 )上。原文：Exclusively Proton Conductive Membranes Based on Reduced Graphene Oxide Polymer Composites
