利用酞菁這類大環分子的自聚集特性,強迫陽離子基團有序堆疊,從而構造OH-傳遞快速通道。我們通過在溴代聚2,6-二甲基-1,4-亞苯基氧化物(BPPO)環上引入含有4個季銨基團的鋅季銨酞菁(Pc)側鏈,鑄成Pc-PPO-y陰離子交換膜(圖1d)。其設計思路是:每個QAPc含有四個季銨基團(QA),因此酞菁側鏈可以作為多陽離子處理,這些多陽離子基團可以吸引H2O和OH-離子形成傳輸區域;而QAPc中的酞菁大環之間的強π-π相互作用可迫使這些帶正電荷的頭部基團(-N(CH3)3+)緊密堆疊,從而形成有序的親/疏水OH-通道,進而實現在不增加IEC的前提下, OH-傳導性提升的效果。因此,與常規的構筑AEM的方法相比,這種方法不僅能夠增加膜的電導率和強韌性,還能構筑有序的離子通道。
如圖2所示,由該方法獲得的陰離子交換膜Pc-PPO-10成功實現了在80℃高達236.2 mS cm-1的OH-電導率,這一水平已經超過了Nafion質子交換膜。
通過如圖3所示的粗粒度分子動力學(CG-MD)模擬探究了QAPc的聚集行為和對OH-傳輸行為的影響。可以看到, Pc-PPO-10膜中有5個以上的酞菁大環有序堆疊,從而形成OH-通道,為OH-離子提供了更加的遷移環境,其OH-的均方位移(MSD)相較無酞菁環的膜體系提升接近1倍。得益于此,該類Pc-PPO-10在堿性燃料電池體系中,單電池的峰值功率密度可達343.8 mW cm-2@80℃。
多壁碳納米管-酞菁鈷-納米金-絲素蛋白(MWCNTs-CoPc-AuNPs-SF)納米復合物膜
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