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In-Situ Gelled Covalent Organic Framework Membrane with Vacancies-Enhanced Anhydrous Proton Conductivity

化学 无水的 共价键 电导率 原位 共价有机骨架 质子 化学工程 高分子化学 有机化学 物理化学 生物化学 物理 量子力学 工程类
作者
Jin Zhang,Han Zhang,Ya-Ru Kong,L. P. Zhou,Siyao Li,Linzhou Zhuang,Nanwen Li,Xiao‐Ming Ren,Zhi Xu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (22): 18934-18943 被引量:11
标识
DOI:10.1021/jacs.5c03311
摘要

The development of high-performance anhydrous proton-exchange membranes (APEMs) for electrochemical techniques remains a significant challenge. Covalent organic frameworks (COFs) offer a promising solution for APEMs due to their tunable channels and functionalizable skeletons. However, COFs are typically porous powders, which create extreme difficulties in processing them into self-standing APEMs, thereby limiting their practical applications. In this study, we propose a novel strategy for preparing COF-based APEMs for high-temperature proton exchange membrane fuel cell (HT-PEMFC) applications through acidification and gelation. In the gel, COF acts as both a gelling agent and proton trap, inhibits guest acid flow, and captures protons from the acid, leading to the formation of proton vacancies in the COF gel and greatly accelerating proton migration. As a result, COF gel membranes exhibit conductivities that far surpass that of the guest acid itself, exceeding 0.1 S cm-1 at temperatures above 140 °C, outperforming most reported COF materials. Notably, membrane electrode assemblies of HT-PEMFCs fabricated with a COF gel achieve a maximum power density of 150 mW cm-2 at 180 °C and anhydrous conditions. Our approach introduces an innovative strategy for the fabrication of self-standing COF-based APEMs, representing a significant breakthrough in the field of COF-based APEMs for fuel cell technology.
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