质子导体因其在生物系统和化学过滤器等领域的持续进步而吸引了大量的兴趣。超高质子传导率（σ）长期以来一直是能源生产领域（如燃料电池、蒸汽电解和氢分离）的理想目标，因为质子交换的效率始终主导着这些能量转换设备的性能。中国科学院化学研究所于萍研究员和毛兰群研究员发现从石墨烯（GDY）衍生而来的氧化石墨烯（GDYO）具有迄今为止报道的氧化碳同素异形体中最高的质子传导率（0.54 S cm-1，100%RH，348K）。相关工作以“Giant Water Uptake Enabled Ultrahigh Proton Conductivity of Graphdiyne
Oxide”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。要点1. GDYO纳米片在100%相对湿度（RH）和348K下表现出最高的质子传导率，达到0.54 S cm-1。比GO纳米片高一个数量级（10-2 S cm-1，95%RH）。较低的活化能（Ea）为0.30 eV（100%RH），显示了质子输运的Grotthuss机制。要点2. GDYO在100%RH下表现出84wt%的巨大吸水率，GDY具有52wt%的吸水能力。GDYO的吸水率是GO（34wt%）的2倍以上。GDYO的高吸水率由于GDYO含氧基团的亲水性以及GDY的sp和sp2共杂交碳骨架结构，两者都导致更高的质子浓度和多个质子传导途径。从而有利于超高的质子传导率。要点3. 通过使用真空过滤的GDYO膜作为质子交换膜（PEM），GDYO的高效质子交换进一步应用于国产甲醇燃料电池。与基于商用Nafion 117的电池相比，GDYO膜使电池具有更高的开路电位（OCP）、输出功率密度和更低的甲醇渗透性。此外，还表现出优异的离子交换能力（IEC）、稳定性和选择性，表明GDYO作为PEM具有巨大的前景。该工作不仅证明了GDYO在质子传导领域有着广阔的前景，而且为设计先进的质子导体提供了一种新的策略。此外，这种特性也使GDYO在质子传导、湿度传感、水传输和防潮发电等领域显示出巨大潜力。图1. （a、b）GDYO的结构和合成示意图。GDYO的AFM图像（c）、SEM图像（d）、XPS光谱（e）、FT-IR光谱（f）和拉曼光谱（g）。插图：放大的GDYO中炔键振动的1800
cm-1至2400 cm-1的拉曼光谱。图2.（a）GDYO片材覆盖的IDE的SEM图像。（b）GDYO片在95%RH和298 K下的典型奈奎斯特图。（e）100%RH下ln（σT）与T−1的关系图，Ea计算为0.30 eV。（f）20%、75%和100%RH下GDYO片材Ea的RH依赖性。（g）GDYO与其他报道的质子导体之间的活化能和质子传导率的比较。图3. 在20%（a）和100%（b）RH条件下，对GO（蓝色）和GDYO（紫色）进行热重分析。在20%（c）和100%（d）RH下石墨烯（蓝色）和GDY（紫色）的热重分析。（e）GDYO与GO基质子导体的水吸附性能的比较。从正面看，吸附在GDY上的单个（f）和连续两个水分子（g）的最稳定结构模型。在低RH（i）和高RH（j）下GDYO上提出的质子传导途径。图4.（a）以GDYO膜为PEM的国产甲醇燃料电池的图示。（b）使用GDYO（蓝色）和Nafion
117（紫色）作为PEM的电池的极化曲线和功率密度曲线。（c）GDYO和Nafion 117在OCV性能、功率密度和甲醇扩散系数方面的比较。（d）GDYO膜在0%RH和100%RH下的光学图像。（e）GDYO膜在25%RH（黑色）和100%RH（蓝色）下测量的XRD光谱。在100%RH下测量之前，将GDYO膜在100%RH条件下储存12小时。（f）GDYO薄膜在纯水和0.1 M HCl水溶液中浸泡不同时间的照片。Giant Water Uptake Enabled Ultrahigh Proton Conductivity of Graphdiyne
Oxide
Weiqi
Li, Cong Xu, Tianyi Xiong, Yanan Jiang, Wenjie Ma, Ping Yu,* Lanqun Mao*DOI:10.1002/anie.202216530
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