Engineered Nanochannels in MXene Heterogeneous Proton Exchange Membranes Mediated by Cellulose Nanofiber/Sodium Alginate Dual Crosslinked Networks

材料科学 纳米纤维 电解质 聚合物 化学工程 质子输运 纳米复合材料 MXenes公司 离子键合 堆积 纤维素 离子 纳米技术 复合材料 电极 有机化学 化学 生物化学 物理化学 工程类
作者
Liyu Zhu,Hongbin Yang,Ting Xu,Luying Wang,Jiandu Lei,Chuanling Si
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:35 (19) 被引量:36
标识
DOI:10.1002/adfm.202419334
摘要

Abstract 2D architectures and superior physiochemical properties of MXene offer an exciting opportunity to develop a new class of polymer electrolyte membranes by controlling the stacking behavior of MXene nanosheets. However, assembling MXene nanosheets into macroscopic stable and high‐performance proton conductors is challenging. Here, a general strategy is reported for achieving stable and high‐performance MXene‐based heterogeneous proton conductors via crosslinked cellulose nanofiber/sodium alginate (CNF/SA). Through the coordination of calcium ions with 1D CNF/SA, MXene nanosheets with abundant hydrogen‐bonding networks are firmly locked into the heterogeneous polymer network, and meanwhile, the heterogeneous polymer chains are transformed from a randomly arranged state to a long‐range ordered arrangement, and such arranged polymer molecular channels collaborate with the tightly‐stacked MXene nanosheets jointly guide the stable and efficient proton conduction. Thus, the as‐built CNF/SA/MXene (CSM) composite membrane exhibits superior mechanical properties (164.7 MPa), proton conductivity (45.4 mS cm −1 ), power density (49.5 mW cm −2 ), and low open circuit voltage (OCV) decay rate (0.4 mV h −1 ). The design principle of 2D material anchoring through ionic‐cross‐linking and mixed‐dimensional assembly can inspire the synthesis of various ion exchange membranes for ion filtration, ion transport, ion sieving, and more.
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