化学所 Angew: 大面积胺化石墨炔薄膜用于直接甲醇燃料电池

【背景介绍】

如今，直接甲醇燃料电池（DMFC）以其便携性、安全性、高能量密度和可再生性等优点而被广泛关注。虽然Nafion膜是质子交换膜（PEM）的标杆，但是其高质子传导性伴随着严重的甲醇渗透，进而降低了甲醇的利用效率，并使阴极催化剂中毒。多孔二维材料（石墨烯，h-BN）具有良好的尺寸稳定性，可以用来降低甲醇的渗透。但是，大面积二维材料制备和可控穿孔技术方面目前还有很多的问题需要解决，难以获得大面积可以用于DMFC的多孔二维材料。近年来，二维原子晶体石墨炔（GDY）由于在选择性纳米孔道、尺寸稳定性和制备方法等方面具有独特的优势，其已经在储能、催化和光电子领域展现出强大的潜力。将石墨炔与Nafion有效结合，两者在质子传导性和甲醇抑制等方面优势互补，可以得到理想的DMFC膜。

【成果简介】

近日，中科院化学所的李玉良院士团队设计和制备了大面积胺基功能化石墨炔，这样保证了石墨炔膜在多层结构时同样具有很好的选择透过功能，同时也能通过酸碱相互作用增强Nafion和石墨炔的相容性，调节Nafion在石墨炔上的微相分离，进一步增强膜的选择性透过功能，他们和浙江理工大学蒋仲庆教授（共同通讯作者）合作，将其用在解决DMFC的甲醇渗透问题，展现出很好的甲醇抑制作用，为从分子尺度解决甲醇渗透提供了新的思路。该工作成功避开了穿孔技术和薄碳膜制备方面的挑战，将有利于推动高选择性的二维多孔石墨炔膜在众多新兴领域的应用研究。研究成果以题为“Large-Area Aminated-Graphdiyne Thin Film for Direct Methanol Fuel Cells”发布在国际著名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。

【图文解读】

图一、NH₂-GDY的表征
（a-c）NH₂-GDY膜的SEM图、AFM高度图和TEM图；

（d）NH₂-GDY膜的有序结构高分辨；

（e）（d）中的ABSF滤波图像；

（f）选定区域电子衍射（SAED）；

（g）NH₂-GDY的结构模拟；

（h）多层NH₂-GDY的堆积图，不同颜色显示质子的传输通道；

（i-j）AA堆叠的六边形孔道；

（k-l）AB堆叠的菱形孔道；

（m）NH₂-GDY膜中夹层之间质子传输机理。

图二、Nafion与NH₂-GDY之间的相互作用的表征
（a-c）复合薄膜的XPS光谱；

（d）样品的一维掠入射X射线衍射图（1D-GIXRD）；

（e）嵌入Nafion中的NH₂-GDY薄膜的TEM图像；

（f）Nafion诱导相分离的放大图像；

（g）在Nafion中NH₂-GDY的放大图像；

（h）NH₂-GDY表面附近的高分辨率TEM图像；

（i）Nafion可能在NH₂-GDY上组装模式；

（j-m）NH₂-GDY薄膜附近的元素分布。

图三、可能的组装形式和理论模拟
（a-c）显示Nafion在NH₂-GDY上组装的示意图；

（d-e）当水合质子和甲醇分子通过NH₂-GDY时的能量变化；

（f）质子传导率的温度依赖性；

（g）在1 M甲醇溶液中和65℃时，甲醇穿透电流密度。

图四、电化学性能
（a-c）具有Nafion、NH₂-GDY@Nafion-25和NH₂-GDY@Nafion-60的DMFC的极化曲线和功率密度；

（d）在50 mA cm^-2的电流密度下，DMFC的稳定性。

【总结】

综上所述，作者首先制备了结构明确的2D NH₂-GDY，以实现质子与甲醇之间良好的选择性。基于这种膜的DMFC显示出更好的性能。该工作旨在构建具有选择性的2D碳材料，避开了射孔技术和薄碳膜制备所面临的挑战，从而为解决燃料电池、电池、催化剂、气体分离纯化等方面的选择性转移问题开辟了新途径。

文献链接：Large-Area Aminated-Graphdiyne Thin Film for Direct Methanol Fuel Cells（Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201910588）

本文由CQR编译。

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