Molecular Complexation of Polymers and Metal Oxide Clusters for Semicrystalline, Thermoplastic Anhydrous Proton Exchange Membranes in Fuel Cells

材料科学 无水的 氧化物 热塑性塑料 金属 化学工程 结晶度 聚合物 质子交换膜燃料电池 质子 高分子化学 化学 复合材料 有机化学 物理 工程类 量子力学 冶金 生物化学
作者
Zhao Zheng,Lu Liu,Mu Li,Weigang Sun,Yuling Liang,Jiadong Chen,Junsheng Yang,Rongchun Zhang,Panchao Yin
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:14 (26): 5966-5974 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.3c01319
摘要

With the manipulation of surface charges and loadings, 1 nm super-acidic metal oxide clusters can co-crystallize with poly(ethylene glycol) (PEG) at molecular scale for thermoplastic anhydrous proton exchange membranes (PEMs). The coexistence of crystalline and amorphous regions endows the PEMs with a high Young's modulus and high flexibility, while the noncovalent complex interactions enable facile preparation and (re)processing. Furthermore, the diffusive dynamics of PEG chains is slowed by the confinement effect, while the local segmental dynamics is accelerated due to the transition of the chain conformation from helix to zigzag when confined in the crystalline framework. This greatly facilitates proton transportation in the crystalline region for an excellent anhydrous proton conductivity of 4.5 × 10-3 S cm-1 at 90 °C. The balanced proton conductivity, mechanical strength, and processability of the PEMs contribute to the promising power density of H2/O2 fuel cells assembled with co-crystalline PEMs at high temperatures under dry conditions.
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