兼具高選擇性和高滲透率的質子交換膜（PEM）在氫應用中，特別是在燃料電池中，是具有很大需求的。盡管石墨烯膜表現出很高的質子選擇性，但通過完美的原始石墨烯時，質子滲透率相對較低，這就限制了其實用性。生物系統中存在氮輔助質子運輸，受此啟發，這里引入了N摻雜來增加質子滲透率，提出了一種N摻雜石墨烯膜（NGM）用于質子交換，具有高的質子滲透性和高選擇性。與最先進的商用PEM相比，NGM的面質子電導率增加2-3個數量級，和質子對甲醇的選擇性提高1-2個數量級。這項工作通過氮摻雜石墨烯膜，實現了可控的質子滲透性，并開發了一種高性能的新型石墨烯基PEM，具有很高的實際應用價值。
Figure 1. 通過NGM的離子和分子運輸。（a）NGM的構造，通過N2等離子體處理引入N摻雜。（b）實驗設置。（c）不同膜的質子傳導率（1 M HCl）和甲醇滲透率。（d）HCl對甲醇的選擇性和質子傳導率。
Figure 2. NGM在H +和Cl-之間的選擇性。（a）實驗裝置示意圖。（b）不同濃度HCl溶液測得的I-V曲線。（c）不同膜的面積質子電導率（1 M HCl）和H + / Cl-選擇性。（d）與商業PEM相比，NGM的性能。
Figure 3.N摻雜石墨烯膜。（a）摻雜石墨烯膜的示意圖。N主要是石墨和吡咯型N。（b）N摻雜石墨烯的TEM圖像。用氮氣等離子體處理石墨烯30秒。（c）樣品的拉曼光譜。（d）N 1s的XPS光譜。
該研究工作由北京大學Luda Wang課題組于2021年發表在Nano Lett.期刊上。原文：Biomimetic N?Doped Graphene Membrane for Proton Exchange Membranes。
轉自《石墨烯雜志》公眾號
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