北京大学Luda Wang课题组--仿生氮掺杂石墨烯膜用于质子交换膜

兼具高选择性和高渗透率的质子交换膜（PEM）在氢应用中，特别是在燃料电池中，是具有很大需求的。尽管石墨烯膜表现出很高的质子选择性，但通过完美的原始石墨烯时，质子渗透率相对较低，这就限制了其实用性。生物系统中存在氮辅助质子运输，受此启发，这里引入了N掺杂来增加质子渗透率，提出了一种N掺杂石墨烯膜（NGM）用于质子交换，具有高的质子渗透性和高选择性。与最先进的商用PEM相比，NGM的面质子电导率增加2-3个数量级，和质子对甲醇的选择性提高1-2个数量级。这项工作通过氮掺杂石墨烯膜，实现了可控的质子渗透性，并开发了一种高性能的新型石墨烯基PEM，具有很高的实际应用价值。

Figure 1. 通过NGM的离子和分子运输。（a）NGM的构造，通过N2等离子体处理引入N掺杂。（b）实验设置。（c）不同膜的质子传导率（1 M HCl）和甲醇渗透率。（d）HCl对甲醇的选择性和质子传导率。

Figure 2. NGM在H +和Cl-之间的选择性。（a）实验装置示意图。（b）不同浓度HCl溶液测得的I-V曲线。（c）不同膜的面积质子电导率（1 M HCl）和H + / Cl-选择性。（d）与商业PEM相比，NGM的性能。

Figure 3.N掺杂石墨烯膜。（a）掺杂石墨烯膜的示意图。N主要是石墨和吡咯型N。（b）N掺杂石墨烯的TEM图像。用氮气等离子体处理石墨烯30秒。（c）样品的拉曼光谱。（d）N 1s的XPS光谱。

该研究工作由北京大学Luda Wang课题组于2021年发表在Nano Lett.期刊上。原文：Biomimetic N‑Doped Graphene Membrane for Proton Exchange Membranes。