直接甲醇燃料电池（DMFC）因其高效性、便携性、安全性、燃料洁净环保、可再生性和能量密度高等优势，在电化学电源方面展示了巨大潜力。然而，同时面临甲醇的渗透的关键问题。如何在分子尺度实现对甲醇和质子的稳定的选择透过，是解决DMFC问题的关键。其中，引入具有二维多孔结构的膜材料是非常有潜力的方法。但是，目前的研究瓶颈是难以构建大面积具有很好选择性的二维膜材料。
近日，中国科学院化学研究所李玉良院士（点击查看介绍）团队及其合作者制备了大面积氨基化石墨炔（称为NH2-GDY）纳米薄膜。氨基功能化的石墨炔具有合适的平面内孔道结构，可以确保质子在多层结构的石墨炔堆叠中实现快速传输。同时，面内的氨基基团与Nafion分子中的磺酸根具有强酸碱分子间相互作用，大大增加了两者的相容性，同时诱导Nafion在石墨炔上组装成更小的微相分离结构。结合NH2-GDY固有的质子选择性，有效地抑制了甲醇的渗透，从而实现直接甲醇燃料电池性能显著提升。
与纯Nafion膜相比，NH2-GDY与Nafion的复合模的开路电压（OCV）得到了明显的优化。25 μm复合膜的性能明显高于60 μm普通Nafion膜的性能。厚度为25 μm的复合膜达到如此高的功率密度是非常有吸引力的，具有巨大的商业应用潜力。面对昂贵的Nafion，可以大大降低成本。该复合膜在25、65和80 °C时，厚度为60 μm的复合膜的最大功率密度进一步提高到23 mW cm-2（108 mA cm-2）、36.8 mW cm-2（165 mA cm-2）和50 mW cm-2（225 mA cm-2），功率密度远高于普通Nafion膜（60 μm）。复合膜电池展示了优异的稳定性、微小的甲醇渗透以及Nafion与NH2-GDY之间稳定的相互作用，大大提高了该电池的综合性能。该研究成果也解决了大面积穿孔技术和碳膜制备方面的难题。提出了制备选择性功能多孔碳膜普适性方法，为石墨炔在燃料电池、海水淡化和气体分离等方面的广泛应用奠定了坚实基础。
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Large-Area Aminated-Graphdiyne Thin Films for Direct Methanol Fuel Cells
Fan Wang, Prof. Zicheng Zuo, Liang Li, Prof. Kuo Li, Dr. Feng He, Prof. Zhongqing Jiang, Prof. Yuliang Li
Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201910588
导师介绍
李玉良
https://www.x-mol.com/university/faculty/15487
（本稿件来自Wiley）
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