Nafion是一種具有梳型結(jié)構(gòu)的聚合物電解質(zhì)，由全氟碳主鏈和磺酸基封端的氟醚側(cè)鏈所構(gòu)成。Nafion可以通過自組裝發(fā)生微相分離，形成尺寸為3-5納米的離子相區(qū)，實現(xiàn)高效質(zhì)子傳導并表現(xiàn)出優(yōu)異的化學穩(wěn)定性，是制備質(zhì)子交換膜的商業(yè)化標桿材料。然而，Nafion面臨著聚合物電解質(zhì)材料的共性問題：即難以同時提升質(zhì)子傳導性和力學穩(wěn)定性。由于Nafion的氟鏈具有很強的化學惰性，很難通過共價化學直接改變其分子結(jié)構(gòu)。因此，基于非共價作用的有機無機雜化策略被廣泛用于提升Nafion的力學強度和傳導性能。然而，由于大多數(shù)無機基元與Nafion之間存在較大的尺寸及極性差異，使其很難被精準牢固地引入到Nafion的納米離子相區(qū)，嚴重影響了雜化改性的效果。在此背景下，探索新型雜化基元與雜化策略來實現(xiàn)Nafion的精準修飾及改性，是Nafion基質(zhì)子交換膜的重要發(fā)展方向。
圖一：多金屬氧簇兩親物合成及其Nafion雜化膜的制備示意圖
在該工作中，作者將短鏈聚乙二醇（PEG）共價接枝到單缺位簇[SiW11O39]8-的骨架上，合成了有機無機雜化的多金屬氧簇兩親物(GSiW11)。有趣的是，PEG接枝顯著降低了簇的水溶性。而且，PEG鏈可以通過氫鍵作用與Nafion的磺酸基團發(fā)生絡合。通過這種設計，GSiW11可以在成膜過程中與Nafion發(fā)生共組裝，并選擇性地分布和固載到離子納米相中，從而實現(xiàn)Nafion改性。
要點如下：
圖二：Nafion及其雜化膜的力學性能、質(zhì)子電導率和電導率穩(wěn)定性
圖五：Nafion及雜化膜的燃料電池性能和長期穩(wěn)定性
總之，該工作展示了無機納米團簇在Nafion改性方面的獨特優(yōu)勢，相關(guān)結(jié)果可用于指導設計面向新能源需求的高性能電解質(zhì)材料。
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.2c08614
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