吉林大學李昊龍教授課題組 Angew：高選擇性質子交換膜助力新能源技術

質子交換膜廣泛應用於新能源技術領域，作爲燃料電池、液流電池、電解水制氫等能源設備的關鍵部件，發揮着傳輸質子、阻隔電子等重要作用，也是我國亟待突破的“卡脖子”材料。目前，全氟磺酸聚合物膜，以Nafion系列膜爲代表，展現了優異的質子導電性和穩定性，是應用最廣泛的商用質子交換膜。Nafion的分子結構包含聚四氟乙烯主鏈和末端爲磺酸基的氟醚側鏈，其主側鏈基團由於極性差異而自發微相分離，形成了由親水磺酸基組成的離子傳導相區和由疏水氟鏈組成的力學支撐相區，因而賦予了Nafion優越的質子傳導性能和力學強度。然而，Nafion膜離子相區的尺寸爲3~5nm，遠大於氫分子（0.2 nm）和水合釩離子（0.6 nm）等常見反應物，導致Nafion膜在燃料電池中的氫氣滲透以及全釩液流電池中的釩交叉滲透等問題，制約了Nafion膜的實際應用。

爲了提高Nafion膜的傳導選擇性，有必要對其進行適當的修飾改性。然而，Nafion獨特的化學結構和微相結構給改性帶來了挑戰，原因如下：第一，Nafion的分子結構穩定，其主側鏈的C-F健能量高，難以通過共價反應改變其分子結構；第二，Nafion的含氟基團與其他組分的相容性差，導致外部添加劑難以通過雜化或複合的方式引入Nafion基體；第三，Nafion膜離子相區的貫通性在改性過程中易被破壞，進而造成質子電導率下降。因此，發展適用於Nafion膜的改性新策略，具有重要的基礎研究意義及產業應用前景。