离子共价有机骨架膜(iCOFMs)由于其高含量、单分散的离子基团可以提供优异的离子导电性,在离子导电相关领域有着广阔的应用前景。提高离子电导率上限的关键是最大限度地提高离子交换容量(IEC)。
近日,天津大学姜忠义教授,张润楠利用双活化界面聚合策略,探索了将具有4.6 mmol g−1超高IEC的TpBD-(SO3H)2离子交换膜用于质子传导。
文章要点
1)研究人员在有机相中用Brønsted酸活化醛类单体,在水相中用Brønsted碱活化离子胺单体。Brnsted酸可以将-CHO转化为更易发生亲核攻击的阳离子-C+HOH ,相应地,醛单体亲核攻击位点的Fukui函数从0.066提高到0.152。Brønsted碱可以将-NH3+转化为更具活性的亲核试剂-NH2,从而实现胺类单体的活化,从而使胺类单体的亲电攻击点的Fukui函数从0.009提高到0.072。
2)经过双重活化后,水-有机界面上的席夫碱反应明显加快,得到了结晶度高、结晶度高的iCOFMs。与之形成鲜明对比的是,不能通过单次活化(只活化一种单体)或不活化来获得晶态iCOFMs。
3)得益于超高离子电导率和高度连续的离子通道,设计的TpBD-(SO3H)2离子交换膜具有0.66 S cm−1(90 °C,100%相对湿度)的优异质子电导率。研究人员指出,这种膜可以有多种应用,如燃料电池、流量电池、锂电池和纳滤。此外,双活化界面聚合策略还可以启发化学键活化领域的研究人员,并有望成为有机骨架膜制备的平台技术。
参考文献
Wang, X., Shi, B., Yang, H. et al. Assembling covalent organic framework membranes with superior ion exchange capacity. Nat Commun 13, 1020 (2022).
DOI: 10.1038/s41467-022-28643-8
https://doi.org/10.1038/s41467-022-28643-8