通过表面引发聚合实现卓越保水性的连续超薄两性离子共价有机框架膜

张明 2023-12-28

在质子交换膜中有效构建质子传输通道、在不同湿度下保持电导率，对燃料电池的发展至关重要。

共价有机框架(COFs)在提供精确、快速的离子传输通道方面具有巨大的潜力。然而，制备连续的具有其固有的结构优势的自支撑式COF膜，并实现优异的质子传导是一个重大挑战。本文研制了一种含正铵离子和负磺酸离子的两性COF材料。通过表面引发聚合，制备了厚度可调的自支撑式COF膜。通过透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)表征了膜的孔隙性、连续性和稳定性。COF结构的刚性避免了水溶液中的溶胀，提高了质子交换膜的化学稳定性和性能稳定性。在较高的湿度范围(50-90%)，制备的两性离子COF膜比仅含磺酸基的COF膜具有更好的导电性能。

如方案1所示，采用表面引发聚合（SIP）策略结合席夫碱和开环反应制备了自支撑式两性离子功能化COF膜。具体来说，将带有氨基的3-氨基丙基三甲氧基硅烷(APTMS)自组装单层(SAM)浸入含有1,3,5-三甲酰基间苯三酚(Tp)和对苯二胺(Pa)的Pyrex管中。Tp和Pa进行SIP后，在SAM上形成一层薄薄的COF涂层(TpPa)。TpPa中丰富的-NH-基团可引发1,3-丙磺基开环反应，生成含铵正离子和磺酸盐负离子的COF层。通过牺牲SiOx中间层，制备了两性离子COF (Z-TpPa)膜。

方案1 通过SIP方法制备自支撑Z-TpPa膜。

本文演示了两性离子COF材料的制备，以及使用表面引发聚合策略高效质子传输致密无缺陷COF膜的模块化制造。Z-TpPa膜的独特结构具有以下特点：1)形成连续均匀的纳米孔道，促进质子的传递；2)刚性骨架保持膜的尺寸稳定性，不影响膜的柔韧性；3)两性离子的存在增强了质子的传导能力和保水能力。本文所建立的自下向上的设计策略将为高性能燃料电池的发展提供了分子设计指导。

Titles：Continuous Ultrathin Zwitterionic Covalent Organic Framework Membrane Via Surface-Initiated Polymerization Toward Superior Water Retention

Authors：Lin Liu, Yu Ma, Bo Li, Liying Yin, Hong-Ying Zang, Ning Zhang,* Hai Bi,*Shaolei Wang,* and Guangshan Zhu*

To be cited as：Small 2023, 2308499.

DOI：10.1002/smll.202308499

内容来源：网络

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