Supramolecular Modifying Nafion with Fluoroalkyl‐Functionalized Polyoxometalate Nanoclusters for High‐Selective Proton Conduction.

纳米团簇 Nafion公司 多金属氧酸盐 超分子化学 质子 材料科学 化学 高分子化学 光化学 纳米技术 有机化学 电化学 电极 催化作用 物理化学 晶体结构 物理 量子力学
作者
Haibo He,Shihao Song,Liang Zhai,Zexu Li,Sihan Wang,Peng Zuo,Youliang Zhu,Haolong Li
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:63 (36): e202409006-e202409006 被引量:56
标识
DOI:10.1002/anie.202409006
摘要

Abstract Proton exchange membranes with high selectivity are urgently required in energy and electronic technologies. Although Nafion represents the state‐of‐the‐art commercial proton exchange membrane material,it still suffers from the permeation of undesirable substances, like hydrogen in fuel cells and vanadium ions in redox flow batteries, due to the unmatched sizes between its ionic domains (3–5 nm) and these substances. In this work, we present a supramolecular modification strategy that simultaneously enhances the proton conductivity and selectivity of Nafion. We employ fluoroalkyl‐grafted polyoxometalate (POMs) nanoclusters as supramolecular additives to modify Nafion via co‐assembly. These POMs can precisely and robustly decorate at Nafion ionic domains, with their fluoroalkyl chains anchoring into the perfluorinated matrix while their inorganic clusters stay in the ionic regions. The hybrid membranes, with continuous proton hopping sites and nanoscale steric hindrance offered by POMs, exhibit a 56 % increase in proton conductivity and a 100 % improvement in proton/vanadium selectivity. This leads to significantly enhanced power density and energy efficiency in fuel cells and vanadium flow batteries, respectively. These results underscore the intriguing potential of molecular cluster additives in improving the functions of ion‐conducting membranes.
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