综述:将磁性技术与柔性可穿戴传感器相结合:当前现状、重要性、机遇与挑战

《Materials Today Chemistry》:Coupling of magnetism with flexible and wearable sensors: Current situation, significance, opportunities and challenge

【字体: 时间:2026年02月11日 来源:Materials Today Chemistry 6.7

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  本文通过修饰氨基合成C-T-MOF,并将其作为填料与Im-PPO-1复合制备AEMs,在80℃、100% RH下实现最高离子电导率0.153 S·cm?1, tensile strength达44.93 MPa,耐碱稳定性达90.3%,显著提升AEM性能。

  
刘志卓|梁宏琦|曲奥|范伟|孙宝增|赵书琪|常月|郭玉哲|王子怡|刘英诺|徐静梅
长春工业大学材料科学高等研究院化学工程学院,中国长春,130012

摘要

本文通过改性MIL-101-NH2合成了阳离子型MIL-101-NH2(C-T-MOF)。为了减少OH?对功能位点的侵蚀,将MIL-101-NH2骨架上的氨基修饰为三甲基季铵基团,从而获得了具有更大空间阻力的C-T-MOF金属有机框架。随后,利用咪唑官能化的PPO制备了Im-PPO,并通过接枝阳离子1-烯丙基-3-甲基咪唑氯化物(AMIMCl)得到了Im-PPO-x。接着,通过复合制备工艺构建了一系列Im-PPO-1/C-T-MOF-x%的阳离子交换膜(AEMs),其中C-T-MOF作为填料相,Im-PPO-1作为连续相。通过FT-IR和PXRD对复合膜的结构进行了表征,实验结果表明复合膜制备成功。性能测试显示,Im-PPO-1/C-T-MOF-1%复合膜在80°C、100%相对湿度下的导电率达到0.153 S cm?1,拉伸强度为44.93 MPa。此外,该复合膜在60°C下浸入1 M NaOH溶液中720小时后仍能保持初始导电率的90.3%。研究结果表明,这种复合膜具有较高的离子导电率、良好的拉伸强度和耐碱性。综上所述,阳离子型MIL-101-NH2(C-T-MOF)显著提升了复合阳离子交换膜的整体性能。

引言

能源的发展与我们的生产和生活密切相关,为生产和生活提供了物质保障[[1], [2], [3]]。随着现代工业的持续发展和经济全球化的加速,生产力大幅提高,带来了巨大的经济效益,但也带来了更严重的环境问题和全球能源危机[[4], [5], [6], [7]]。随着清洁绿色能源时代的到来,燃料短缺和环境污染问题日益突出,可持续可再生能源变得越来越重要[[8], [9], [10]]。氢能源是一种环保且高效的可持续可再生能源,其在交通、工业和能源领域的应用受到了广泛关注[[11], [12], [13]]。氢能源可以通过化石燃料、生物质和水电解过程产生[[14], [15], [16]]。氢能源可以通过多种方式利用:直接燃烧、与其他燃料混合、在燃料电池中转换产生电能,或直接储存作为能源[[17], [18], [19]]。燃料电池能量转换是使用氢能源最高效、最清洁且成本最低的方式[[20], [21], [22]]。燃料电池是一种能量转换装置,其核心工作原理是将储存在物质中的化学能直接转化为可用电能,具有高能量转换效率、优异的可靠性、环境友好性和良好的便携性,因此在多个领域得到广泛应用[[23], [24], [25]]。与质子交换膜燃料电池(PEMFC)相比,阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)显示出更高的能量转换效率。此外,AEMFC通常具有更低的制造成本[[26,27]]。阴离子交换膜(AEM)是AEMFC的核心组件,其性能直接影响燃料电池的性能[[28,29]]。近年来,阴离子交换膜发展迅速。然而,提高AEM的耐碱稳定性和离子导电率的“权衡”仍是一个亟待解决的问题,为此已提出了一些解决方案[[30], [31], [32]]。聚苯氧化物(PPO)因其优异的热稳定性和化学稳定性、成本效益以及简单的结构设计而在阴离子交换膜领域得到广泛应用[[33], [34], [35]]。韩等人将PPO与聚乙烯醇交联制备了c-DQPPO/PVA膜,并引入双阳离子和戊二醛以降低膨胀率并提高尺寸稳定性,该系列膜具有良好的机械性能和导电性,80°C时的最大离子导电率为125.7 mS cm?1[36]。王等人使用QPAP交联PPO制备了C-QPAP-x-QPPO系列膜,这些膜具有较低的溶解度、高导电率(139.4 mS cm?1?1?2
金属有机框架(MOFs)是一类结构可调的多孔晶体材料,由有机配体(如含有羧酸、氮杂环等功能基团的分子)和金属离子或金属簇(如Zn或Cu等)通过配位键构成。金属和有机配体的自组装会形成高度有序的三维网络[[39], [40], [41], [42]]。研究表明,MOFs具有稳定的孔隙结构、良好的稳定性和机械强度,且易于功能化[[43], [44], [45], [46]]。作为填料,MOFs在AEM领域受到越来越多的关注[[47], [48], [49], [50]]。陈等人将离子液体改性的MIL-101与咪唑化PPO结合制备了一系列PIL@MIL01/PPO-x膜,提高了其稳定性和机械性能,并展示了80°C时的离子导电率(138 mS cm?1
本文通过改性MIL-101-NH2合成了阳离子型MIL-101-NH2(C-T-MOF),获得了具有较大空间阻力的C-T-MOF金属有机骨架。通过将MIL-101-NH2骨架上的氨基修饰为三甲基季铵基团来减少OH?

材料

N-溴代琥珀酰亚胺(NBS)、聚苯氧化物(PPO)、氯苯、三氯甲烷(CDCl3-d)、氘代二甲基亚砜(DMSO-d6)、AIBN、氢氧化钠(NaOH)、1-乙烯基咪唑、甲苯、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯化物、过氧化苯甲酰、乙醇、九水合铬(III)硝酸盐、三氟甲磺酸甲酯、N-二甲甲酰胺(DMF)、二氯甲烷、六水合氯化铝等试剂均从Sigma-Aldrich LLC和Aladdin LLC等化学公司购买。

MOFs的表征

使用FT-IR研究了C-T-MOF的结构。图1(a)显示了MIL-101-NH2的FT-IR光谱。由于氨基上N–H键的不对称伸缩振动和弯曲振动,FT-IR的特征峰分别位于1659.93 cm?1和3379.64 cm?1。C–N键的伸缩振动产生的特征峰分别位于967.61 cm?1和1255.91 cm?1?1的峰对应于苯中C双键C键的伸缩振动峰

结论

通过精确控制C-T-MOF在Im-PPO-1基质中的混合质量百分比,制备了Im-PPO-1/C-T-MOF-x%系列的复合膜。测试结果表明,这些复合膜具有良好的机械性能:Im-PPO-1/C-T-MOF-1%的杨氏模量为1926.62 MPa,拉伸强度为44.93 MPa,断裂伸长率为7.51%。

CRediT作者贡献声明

刘志卓:撰写初稿、验证、研究、数据分析、概念构思。梁宏琦:研究、数据分析。曲奥:方法学设计。范伟:研究、数据分析。孙宝增:研究、数据分析。赵书琪:研究、数据分析。常月:研究。郭玉哲:研究。王子怡:研究。刘英诺:研究。徐静梅:撰写、审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢吉林省自然科学基金(项目编号:YDZJ202501ZYTS336)的财政支持。
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