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Incorporating flexible sulfonate-imidazolium ion pair-functionalized MOF in cross-linked polyvinyl alcohol membrane for achieving superprotonic conduction

聚乙烯醇 磺酸 磺酸盐 质子交换膜燃料电池 离子交换 乙烯醇 化学工程 化学 电导率 活化能 高分子化学 材料科学 聚合物 离子 有机化学 物理化学 工程类 生物化学
作者
Ziyin Li,Yongnan Zhou,Jun Hu,Chao Shi,Shiwen Liu,Yuanyu Ge,Tianchi Zhou,Yingxiang Ye
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier]
卷期号:480: 148146-148146 被引量:21
标识
DOI:10.1016/j.cej.2023.148146
摘要

Designing high-performance metal–organic frameworks (MOFs) based proton exchange membranes for fuel cells simultaneously with a high-density proton carrier and continuous hydrogen-bonded networks remains a challenge. The present study has endeavored to construct a crystalline Cu-MOF with chemically stable based on flexible sulfonate-imidazolium ion pair ligand in which flexible sulfonic acid chains orderly anchoring on the channel wall. Moreover, the cross-linked polyvinyl alcohol (CL-PVA) was choosing as matrix to enhance the practicality of Cu-MOF synergistically in fuel cells due to its hydrophilic and hydrophobic structure distribution. The CL-PVA/Cu-MOF-X (X = 5, 10, 15, 20 wt%) composite membranes exhibit strong water affinity and thus significantly enhanced water uptake which also along with good mechanical properties. The highly hydrophilic hydroxyl groups in CL-PVA and the sulfonic acid groups in Cu-MOF form a continuous hydrogen-bonded pathway, which result to the superprotonic conduction. Among them, CL-PVA/Cu-MOF-15 shows the highest proton conductivity of 2.4 × 10-2 S cm−1 but the smallest activation energy Ea (41 kJ/mol) at 80 °C and 90 % RH, indicating more easily transportation of H+. The single-cell power density of CL-PVA/Cu-MOF-15 is up to 49.3 mW cm−2, which will open a new avenue for the practical application of proton-conducting MOFs in proton exchange membrane fuel cells.
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