新墨西哥州立大学化Sergei N. Smirnov课题组–基于氧化还原石墨烯聚合物复合材料的纯质子导电膜

质子交换膜是利用电化学储存间歇能源和为电力设备供电的各种技术的核心。目前最先进的膜是基于半个多世纪前引进的全氟磺酸。质子的低特异性伴随着其他物种的渗透，是能源可持续经济中各种绿色技术应用的主要障碍之一。为此，本文提出的复合膜具有质子选择性，不允许除质子以外的任何离子或分子种类的交叉。膜具有高的质子导电性和优异的机械和化学稳定性，因此在未来会显著提高氢基技术的性能，例如电解槽，各种燃料电池和液流电池。

 Figure 1. (a)石墨、干/湿GO、rGO薄膜的XRD比较。(b)由1PVP/GO (MW = 3.5 kDa)制备的复合膜的XRD图。(c)不同复合膜rGO 、r(0.65 PVA/GO)、r(0.65 PVP/GO)的拉曼光谱。

Figure 2. (a) SEM图显示所得薄膜的珍珠质结构，厚度约为11μm。(b) r(PVP/GO)膜的照片。

Figure 3. (a)不同浓度KCl下复合膜r(0.65 PVP/GO) (MW = 3.5 kDa)的pH1/pH2梯度的OCV。(b)在含1M不同氯盐的PH1/PH2溶液中，同一膜的OCV与各阳离子的水合直径关系图。 (c)在1 M KCl的pH1/pH2梯度下的r(PVP/GO)膜和在不同PVP/GO比下无盐溶液的OCV。(d)对于相同厚度和组成的PVP/GO=0.65的膜，pH1/pH2和1 M KCl溶液的OCV与PVP分子量(MW)的关系图。

Figure 4. (a)PVP/HI₃络合物中质子线的结构图，其中PVP相对链的羰基之间共享氢键质子。(b)由100ns经典分子动力学模拟得到的整体顶部和侧面图。(c)分子和聚合物的化学结构显示出明显的质子选择性。

Figure 5. (a)含1.5 mL VOSO₄+3 M H₂SO₄的30 mLVFB电池容量随时间的变化有两种配置：两个N212膜和夹在两个N212膜之间的r(PVP/GO)膜。(b)充电钒电池(1.5 M V in 3m H₂SO₄)中0.5 mL的OCV，两端均有石墨电极。

相关研究成果于2019年由新墨西哥州立大学化Sergei N. Smirnov课题组，发表在ACS Nano ( https://doi.org/10.1021/acsnano.9b05979 )上。原文：Exclusively Proton Conductive Membranes Based on Reduced Graphene Oxide Polymer Composites

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