Enhanced Proton Transfer in Proton‐Exchange Membranes with Interconnected and Zwitterion‐Functionalized Covalent Porous Material Structures

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作者
Zhuang Rao,Deyu Zhu,You Xu,Minqiu Lan,Lipei Jiang,Zhengyun Wang,Beibei Tang,Hongfang Liu
出处
期刊:Chemsuschem [Wiley]
卷期号:16 (11) 被引量:18
标识
DOI:10.1002/cssc.202202279
摘要

Excellent proton-conductive accelerators are indispensable for efficient proton-exchange membranes (PEMs). Covalent porous materials (CPMs), with adjustable functionalities and well-ordered porosities, show much promise as effective proton-conductive accelerators. In this study, an interconnected and zwitterion-functionalized CPM structure based on carbon nanotubes and a Schiff-base network (CNT@ZSNW-1) is constructed as a highly efficient proton-conducting accelerator by in situ growth of SNW-1 onto carbon nanotubes (CNTs) and subsequent zwitterion functionalization. A composite PEM with enhanced proton conduction is acquired by integrating CNT@ZSNW-1 with Nafion. Zwitterion functionalization offers additional proton-conducting sites and promotes the water retention capacity. Moreover, the interconnected structure of CNT@ZSNW-1 induces a more consecutive arrangement of ionic clusters, which significantly relieves the proton transfer barrier of the composite PEM and increases its proton conductivity to 0.287 S cm-1 under 95 % RH at 90 °C (about 2.2 times that of the recast Nafion, 0.131 S cm-1 ). Furthermore, the composite PEM displays a peak power density of 39.6 mW cm-2 in a direct methanol fuel cell, which is significantly higher than that of the recast Nafion (19.9 mW cm-2 ). This study affords a potential reference for devising and preparing functionalized CPMs with optimized structures to expedite proton transfer in PEMs.
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