具有高选择性和高渗透性的质子交换膜(PEMs)在基于氢的应用中,特别是在燃料电池中,具有巨大的需求。相对于其它离子和分子,石墨烯膜对质子具有高的选择性,尽管如此,质子通过完美的原始石墨烯相对较低的渗透性限制了其实际应用。近日,北京大学Luda Wang等受生物系统中氮辅助质子传输的启发,引入N掺杂以提高质子渗透率,并提出了一种用于质子交换的N掺杂石墨烯膜(NGMs),该膜既具有高质子渗透性又具有高选择性。
本文要点:
1)之前的生物学研究表明,末端氮原子可促进质子通道质子化和去质子化的快速转换,从而促进质子的运输。基于此,作者制备了N掺杂的石墨烯膜(NGMs),并通过实验验证了N掺杂可以显著提高石墨烯的质子渗透性,而不会牺牲其高选择性。
2)通过对石墨烯膜进行可控的氮等离激元处理,作者开发了一种可扩展且具有成本效益的方法来按设计制造NGMs。获得的NGMs既可以实现高质子传导性(在1 MHCl中未1.4 × 105 S m−2),又可以实现高选择性(H+/Cl-选择性约为40)。与最先进的商用PEMs相比,NGMs的表面质子电导率(2-3个数量级)和质子对甲醇的选择性(1-2个数量级)都显著增加。
该工作通过N掺杂可控地调节石墨烯膜的质子渗透性,并开发了一种新型的基于石墨烯的具有很高的实际应用性能的PEMs。
Zhiyang Zeng, et al. Biomimetic N-Doped Graphene Membrane for Proton Exchange Membranes. Nano Lett., 2021
DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c00813