A DNA‐Threaded ZIF‐8 Membrane with High Proton Conductivity and Low Methanol Permeability

材料科学 生物分子 电导率 甲醇 化学工程 分子 氢键 DNA 甲醇燃料 质子交换膜燃料电池 质子 纳米技术 化学 有机化学 物理化学 生物化学 量子力学 物理 工程类
作者
Yi Guo,Zhongqing Jiang,Wen Ying,Liping Chen,Yazhi Liu,Xiaobin Wang,Zhong‐Jie Jiang,Banglin Chen,Xinsheng Peng
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:30 (2) 被引量:160
标识
DOI:10.1002/adma.201705155
摘要

Abstract Natural biomolecules have potential as proton‐conducting materials, in which the hydrogen‐bond networks can facilitate proton transportation. Herein, a biomolecule/metal–organic framework (MOF) approach to develop hybrid proton‐conductive membranes is reported. Single‐strand DNA molecules are introduced into DNA@ZIF‐8 membranes through a solid‐confined conversion process. The DNA‐threaded ZIF‐8 membrane exhibits high proton conductivity of 3.40 × 10 −4 S cm −1 at 25 °C and the highest one ever reported of 0.17 S cm −1 at 75 °C, under 97% relatively humidity, attributed to the formed hydrogen‐bond networks between the DNA molecules and the water molecules inside the cavities of the ZIF‐8, but very low methanol permeability of 1.25 × 10 −8 cm 2 s −1 due to the small pore entrance of the DNA@ZIF‐8 membranes. The selectivity of the DNA@ZIF‐8 membrane is thus significantly higher than that of developed proton‐exchange membranes for fuel cells. After assembling the DNA@ZIF‐8 hybrid membrane into direct methanol fuel cells, it exhibits a power density of 9.87 mW cm −2 . This is the first MOF‐based proton‐conductivity membrane used for direct methanol fuel cells, providing bright promise for such hybrid membranes in this application.
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