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Robust and highly proton conductive COF composite membranes for fuel cell and electrochemical hydrogen compression

质子交换膜燃料电池 氢键 材料科学 电化学 离子键合 质子输运 化学工程 磺酸 纳米技术 高分子化学 化学 分子 电极 有机化学 物理化学 离子 生物化学 工程类
作者
Zhong Gao,Zhuoyu Yin,Yan Kong,Leilang Zhang,Na Xing,Shiyi Zhu,Zengguang Yao,Ziwen Liu,Xiao Pang,Hong Wu,Zhongyi Jiang
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:490: 151368-151368 被引量:9
标识
DOI:10.1016/j.cej.2024.151368
摘要

Robust and highly conductive proton exchange membrane (PEM) is the unremitting pursuit of numerous electrochemical energy technologies such as fuel cell and the emerging electrochemical hydrogen compression. Ionic covalent organic framework nanosheets (iCONs) with long-range ordered nanochannels and abundant ionic groups show substantial potential as next-generation PEM materials. However, it is challenging to assemble iCONs into membranes with both robustness and flexibility due to the electrostatic repulsion and rigid framework. Herein, we propose a hydrogen-bond binding strategy to fabricate sulfonic iCON (SCON) composite membranes by co-assembling tannic acid (TA) nanoaggregates and SCONs. The abundant and dynamically reversible hydrogen-bond interactions introduced by TA nanoaggregates establish effective linkage between SCONs and allow some restricted movements, endowing membranes with remarkably improved mechanical properties. The stacked SCONs construct long-range ordered nanochannels with well-arranged sulfonic groups in membranes, and the hydrogen-bond networks further facilitate the proton transport through Grotthuss mechanism. Consequently, TA/SCON composite membranes displays significantly enhanced tensile strength of 101.9 MPa, good flexibility and high proton conductivity of 490.1 mS cm−1 at 80 °C and 100 % RH simultaneously. This hydrogen-bond binding strategy offers a promising approach to fabricate robust and highly conductive PEMs for various proton-conducting applications.
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