A high-performance hydroxide exchange membrane enabled by Cu2+-crosslinked chitosan

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作者
Meiling Wu,Xin Zhang,Yun Zhao,Chunpeng Yang,Shuangshuang Jing,Qisheng Wu,Alexandra H. Brozena,Jeffrey T. Miller,Nicole J. LiBretto,Tianpin Wu,Sahana Bhattacharyya,Mounesha N. Garaga,Yugang Zhang,Yue Qi,Steve Greenbaum,Robert M. Briber,Yushan Yan,Liangbing Hu
出处
期刊:Nature Nanotechnology [Nature Portfolio]
卷期号:17 (6): 629-636 被引量:118
标识
DOI:10.1038/s41565-022-01112-5
摘要

Ion exchange membranes are widely used to selectively transport ions in various electrochemical devices. Hydroxide exchange membranes (HEMs) are promising to couple with lower cost platinum-free electrocatalysts used in alkaline conditions, but are not stable enough in strong alkaline solutions. Herein, we present a Cu2+-crosslinked chitosan (chitosan-Cu) material as a stable and high-performance HEM. The Cu2+ ions are coordinated with the amino and hydroxyl groups of chitosan to crosslink the chitosan chains, forming hexagonal nanochannels (~1 nm in diameter) that can accommodate water diffusion and facilitate fast ion transport, with a high hydroxide conductivity of 67 mS cm-1 at room temperature. The Cu2+ coordination also enhances the mechanical strength of the membrane, reduces its permeability and, most importantly, improves its stability in alkaline solution (only 5% conductivity loss at 80 °C after 1,000 h). These advantages make chitosan-Cu an outstanding HEM, which we demonstrate in a direct methanol fuel cell that exhibits a high power density of 305 mW cm-2. The design principle of the chitosan-Cu HEM, in which ion transport channels are generated in the polymer through metal-crosslinking of polar functional groups, could inspire the synthesis of many ion exchange membranes for ion transport, ion sieving, ion filtration and more.
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