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劳伦斯伯克利国家实验室《AFM》:化学对薄膜性质的影响

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材料科学与工程 2021-04-11 08:13

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对载体的离聚物薄膜(例如,20-100nm)可以用作拟孔催化剂界面行为的模型系统以及用于研究来自块状膜的性质的混合驱动偏差。虽然离聚物薄层膜已被用于质子交换离聚物的检测,但阴离子交换离聚物(AEIs)的薄层膜特性仍未被充分研究。更重要的是,描述化学和硬度对薄膜形态和水合作用的复杂影响有助于推进功能离子界面的研究。

在这项工作中,劳伦斯伯克利国家实验室等单位的研究人员通过使用不同的主链(多官能、脂肪族和芳香族)和侧链(不同长度、单官能团和双官能团)的AEIs来研究上述问题。石英晶体微天平和椭偏光谱用于分析密度,并与计算的薄膜自由体积分数相结合用以解释对其气体传输特性。AEI侧链的化学性质在硬度调节水合作用中起着关键作用。该结果阐明了在薄膜形态和溶胀的摩擦驱动变化中主链和侧链化学相对于阴离子/阳离子类型的影响。这项研究还提供了新的见解,利用化学调节界面上的AEI转运功能这一性质,可以用来设计和开发碱性膜为基础的能源系统的电极-离子聚合物。

论文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202008778

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图1.本研究对离聚物的化学结构进行了研究。

图2.2D GISAXS图案,适用于Fumion、QS、DMBPN、N2-25、PF-AEM和PAP-BP、Nafion和PSS等公司的离聚物薄膜

图3.AEI和PEI薄膜的厚度膨胀(30–100纳米厚)曲线

图4.a)厚度膨胀和b)在100%相对湿度下测得的薄膜的每个离子基团的含水量。

图5.作为碳氢化合物和未氟化离聚物密度函数的计算自由体积分数。

图6.离子交换离聚物在薄膜中的湿度依赖性吸水行为的比较

图7.对离聚物的影响:在高湿度区域,离子交换离聚物在薄膜中的含水量与其体膜类似物的含水量的比较。

图8.离聚物薄膜的最大含水量与体积行为的摩擦驱动偏差(以λ膜/λ体积相对于侧链的键数绘制)

总的来说,本文研究了不同主链和侧链化学物质的AEI薄膜的水合作用、纳米结构、离聚物密度和摩擦影响,并将其与PEI薄膜进行了比较。就形态学的化学效应而言,具有单氟化主链的薄膜显示出纳米相分离的情况,无论它们是否具有固定的阴离子或阳离子基团。相反,本文研究的所有烃基离聚物薄膜都没有检测到的纳米相分离的情况。具有较长侧链的全氟辛烷磺酸也能更好的促进相分离。

因此,主链和侧链的不同是促进离聚物域纳米相分离的关键因素之一。就水合和其他的化学特性而言,与未氟化离聚物相比,烃基离聚物显示出更高的溶解度、更小的密度和更低的计算自由体积分数。对于碳氢化合物,脂肪族骨架比芳香族骨架进一步增加了溶解度。随着侧链长度的增加,离聚物密度降低。此外,N2-25比QS具有更高的溶解度和更大的水含量,这是由于其侧链上具有多功能的碱基引发的。(文:SSC)

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