質子交換膜是利用電化學儲存間歇能源和為電力設備供電的各種技術的核心。目前最先進的膜是基于半個多世紀前引進的全氟磺酸。質子的低特異性伴隨著其他物種的滲透，是能源可持續經濟中各種綠色技術應用的主要障礙之一。為此，本文提出的復合膜具有質子選擇性，不允許除質子以外的任何離子或分子種類的交叉。膜具有高的質子導電性和優異的機械和化學穩定性，因此在未來會顯著提高氫基技術的性能，例如電解槽，各種燃料電池和液流電池。
Figure 1. (a)石墨、干/濕GO、rGO薄膜的XRD比較。(b)由1PVP/GO (MW = 3.5 kDa)制備的復合膜的XRD圖。(c)不同復合膜rGO 、r(0.65 PVA/GO)、r(0.65 PVP/GO)的拉曼光譜。
Figure 2. (a) SEM圖顯示所得薄膜的珍珠質結構，厚度約為11μm。(b) r(PVP/GO)膜的照片。
Figure 3. (a)不同濃度KCl下復合膜r(0.65 PVP/GO) (MW = 3.5 kDa)的pH1/pH2梯度的OCV。(b)在含1M不同氯鹽的PH1/PH2溶液中，同一膜的OCV與各陽離子的水合直徑關系圖。 (c)在1 M KCl的pH1/pH2梯度下的r(PVP/GO)膜和在不同PVP/GO比下無鹽溶液的OCV。(d)對于相同厚度和組成的PVP/GO=0.65的膜，pH1/pH2和1 M KCl溶液的OCV與PVP分子量(MW)的關系圖。
Figure 4. (a)PVP/HI
3絡合物中質子線的結構圖，其中PVP相對鏈的羰基之間共享氫鍵質子。(b)由100ns經典分子動力學模擬得到的整體頂部和側面圖。(c)分子和聚合物的化學結構顯示出明顯的質子選擇性。
Figure 5. (a)含1.5 mL VOSO
4+3 M H
2SO
4的30 mLVFB電池容量隨時間的變化有兩種配置：兩個N212膜和夾在兩個N212膜之間的r(PVP/GO)膜。(b)充電釩電池(1.5 M V in 3m H
2SO
4)中0.5 mL的OCV，兩端均有石墨電極。
相關研究成果于2019年由新墨西哥州立大學化Sergei N. Smirnov課題組，發表在ACS Nano ( https://doi.org/10.1021/acsnano.9b05979 )上。原文：Exclusively Proton Conductive Membranes Based on Reduced Graphene Oxide Polymer Composites
