A high-performance hydroxide exchange membrane enabled by Cu2+-crosslinked chitosan

壳聚糖 氢氧化物 离子交换 化学工程 电化学 材料科学 电导率 离子 化学 无机化学 高分子化学 电极 有机化学 物理化学 工程类 生物化学
作者
Meiling Wu,Xin Zhang,Yun Zhao,Chunpeng Yang,Shuangshuang Jing,Qisheng Wu,Alexandra H. Brozena,Jeffrey T. Miller,Nicole J. LiBretto,Tianpin Wu,Sahana Bhattacharyya,Mounesha N. Garaga,Yugang Zhang,Yue Qi,Steve Greenbaum,Robert M. Briber,Yushan Yan,Liangbing Hu
出处
期刊:Nature Nanotechnology [Nature Portfolio]
卷期号:17 (6): 629-636 被引量:128
标识
DOI:10.1038/s41565-022-01112-5
摘要

Ion exchange membranes are widely used to selectively transport ions in various electrochemical devices. Hydroxide exchange membranes (HEMs) are promising to couple with lower cost platinum-free electrocatalysts used in alkaline conditions, but are not stable enough in strong alkaline solutions. Herein, we present a Cu2+-crosslinked chitosan (chitosan-Cu) material as a stable and high-performance HEM. The Cu2+ ions are coordinated with the amino and hydroxyl groups of chitosan to crosslink the chitosan chains, forming hexagonal nanochannels (~1 nm in diameter) that can accommodate water diffusion and facilitate fast ion transport, with a high hydroxide conductivity of 67 mS cm-1 at room temperature. The Cu2+ coordination also enhances the mechanical strength of the membrane, reduces its permeability and, most importantly, improves its stability in alkaline solution (only 5% conductivity loss at 80 °C after 1,000 h). These advantages make chitosan-Cu an outstanding HEM, which we demonstrate in a direct methanol fuel cell that exhibits a high power density of 305 mW cm-2. The design principle of the chitosan-Cu HEM, in which ion transport channels are generated in the polymer through metal-crosslinking of polar functional groups, could inspire the synthesis of many ion exchange membranes for ion transport, ion sieving, ion filtration and more.
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