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Advanced Materials:具有高质子电导率和低甲醇渗透率的DNA修饰的ZIF-8薄膜

众所周知,燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的能量转换装置,因其优异的能量转换效率而得到广泛关注。其中质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有高能量密度和低工作温度,可以用于便携式供电设备和交通运输。为保证燃料电池的效率和能量密度,其核心组件质子交换膜需要同时具备高质子电导率和低甲醇渗透率。

目前,应用最为广泛的质子交换膜是美国杜邦公司的Nafion全氟磺酸膜。Nafion膜中磺酸基团形成亲水区,作为质子传输的通道,具有优异的质子电导率,但其通道尺寸(>1 nm)大于甲醇分子直径(0.43 nm),使其具有较高的甲醇渗透率。为降低Nafion的甲醇渗透率,纳米尺寸的无机填料被复合到膜中,以减小质子传输通道的尺寸,抑制甲醇扩散,但同时不可避免的导致质子电导率的降低。


Advanced Materials:具有高质子电导率和低甲醇渗透率的DNA修饰的ZIF-8薄膜


近期,浙江大学彭新生教授课题组与美国德州大学圣安东尼奥分校陈邦林教授、华南理工大学蒋仲杰教授、宁波理工大学的蒋仲庆教授利用固相限制转化法制备了DNA修饰的ZIF-8薄膜,DNA分子被原位包埋入ZIF-8薄膜之中,该杂化膜兼具高质子电导率和低甲醇渗透率,并可应用于直接甲醇燃料电池。ZIF-8作为最早被合成的金属有机框架物(MOF)之一,其窗口尺寸仅为0.34 nm,由于尺寸筛分效应,可以高效的抑制甲醇分子的跨膜渗透,其甲醇渗透率低至1.25×10-8 cm2 s-1。同时其规则的孔道结构可作为质子传输的通道。由于ZIF-8孔道表现为疏水性,其质子电导率并不高。将具有大量磷酸基团和氢键的DNA分子包覆于ZIF-8薄膜之中,有利于水分子进入ZIF-8孔道中。DNA分子和水分子结合,在ZIF-8孔道中构筑成贯通的氢键网络,作为质子传输的通道。相比于纯ZIF-8,DNA@ZIF-8薄膜的质子电导率提高了2个数量级,在75℃、95%RH环境下达到0.17 S cm-1。综合质子电导率和甲醇渗透率,DNA@ZIF-8薄膜的质子导电率/甲醇渗透率优于传统的质子交换膜。将其应用于直接甲醇燃料电池,能量密度可达9.87 mW cm-2,证明此类MOF杂化膜在燃料电池隔膜方面具有重要应用前景。

该论文的第一作者为浙江大学在读博士生郭弈和宁波工程大学蒋仲庆教授。相关工作发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201705155)上。



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