相比于质子交换膜，阴离子交换膜在燃料阻隔方面具有天然的优势。同时，其本身在碱性环境下具有更高效的化学反应动力学，可以使用非贵金属作为催化剂。因此，高性能阴离子交换膜的制备受到越来越多的关注。然而，阴离子交换膜中的离子电导率和尺寸稳定性间存在trade-off效应，极大地限制了阴离子交换膜的开发与利用。

针对以上问题， 湖北工程学院化学与材料科学学院龚春丽教授团队提出了一种双功能化策略：以具有高机械强度、高模量和多孔结构的细菌纤维素（BC）为聚合物基底，溴化聚苯醚（Br-PPO）为填充物，制备得到高尺寸稳定性和离子电导率的复合阴离子交换膜（PBC/QPPO）。该双功能化改性方法，使BC在接枝季铵基团的同时与聚电解质填料之间发生化学交联并生成阳离子基团，实现提升复合膜离子电导率的同时有效维持膜尺寸稳定性。

图文解读

具有高尺寸稳定性和离子电导率的双功能化细菌纤维素基复合阴离子交换膜的构建

细菌纤维素（BC）是一种由细菌（醋酸杆菌）合成的天然纳米纤维。由于其优异的特性，包括独特的结构（多孔、高弹性模量、高结晶度和丰富的-OH基团）、形态（具有网状结构的3D形态、重量轻、比表面积大）、环保性（无毒、可生物降解），受到研究者们广泛的关注。但是，由于BC在导电性方面的缺陷，阻碍了其在离子交换膜方面发展。在此，我们采用多次浸渍处理的方式对BC纤维表面进行化学改性制备了功能化细菌纤维素（PBC）多孔基底。

图1. PBC的制备过程。

如图2，通过全反射-傅里叶红外光谱（ATR-FTIR）、比表面积（BET）和扫描电镜（SEM）表征证实了对BC的改性过程。1648 cm ⁻¹ 、1455 cm ⁻¹ 、1564 cm ⁻¹ 、1648 cm ⁻¹ 处的红外吸收峰分别来自于PDA的主环振动、BPEI中的-CH ₂ 弯曲振动和N-H弯曲振动。改性后多孔基底的比表面积从90.505 m ² g ^-1 降低到了21.697 m ² g ^-1 。从SEM的图片中也可以明显观察到聚多巴胺（PDA）纳米粒子和聚合物涂层的存在。

图2 . 改性前后BC膜的ATR-FTIR光谱图（a），N ₂ 吸附等温线（b）和上表面扫描电镜图（c-f）: （c）BC，（d）BC@PDA，（e）BC@PDA-BPEI，（f）PBC ₃ 。

接下来对复合膜进行了表征和测试（图3a-3c），在PBC ₃ /QPPO中位于1260 cm ⁻¹ 处的C-N弯曲振动峰证实了Br-PPO和BPEI之间化学交联过程，此外在1660 cm ⁻¹ 处吸收峰的蓝移表明强吸电子阳离子基团（NR ₄ ⁺ ）的增多。在图3b中，PBC ₃ /QPPO在2θ = 14.1°和22.5°处的衍射峰来自于BC中两个典型的结晶峰，分别对应于(10)和(020)晶面。由于PBC纳米纤维的强力支撑和交联作用，PBC ₃ /QPPO复合膜在80°C下的吸水率（98.91%）明显高于QPPO（13.12%），而溶胀率（14.59%）与QPPO（13.9%）相近。

图3 . PBC ₃ 、QPPO和PBC ₃ /QPPO膜的ATR-FTIR光谱图（a），XRD图（b）和吸水溶胀图（c）。

图4 . PBC ₃ /QPPO复合膜的OH ^- 离子电导率（a、c）和阿伦尼乌斯曲线（b、d）。

本工作还探究了BPEI的最优添加量。从图4a中可以发现，开始随着BPEI添加量的增加，复合膜的OH ^- 离子电导率会随着提高。但进一步增加，不利于离子电导率的提高。最终，PBC ₃ /QPPO复合膜在80°C下达到62.58 ± 4.00 mS cm ^-1 的离子电导率，是QPPO的235.93%。同时，其展现了10.71 KJ mol ^-1 的最低离子传输表观活化能。

总结

该研究团队长期聚焦在生物质功能新材料的研究，双功能化策略的提出为生物质材料的改性应用提供了新思路。得益于对BC的双功能化改性，PBC/QPPO系列聚合物电解质膜在提升离子电导率的同时展现了不错的尺寸稳定性，具有在直接甲醇燃料电池（DMFC）中应用的潜力，这也为利用双功能化策略解决阴离子交换膜中的权衡效应提供了新路径。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c15643

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