【人物与科研】华南理工大学软物质研究院殷盼超教授课题组：聚乙二醇-多金属氧酸盐半固态电解质的研究

导语

质子导体材料广泛应用于超级电容器、燃料电池等能源领域，受到人们的关注。如何开发出兼具低成本、高质子导电性、安全性以及良好力学性能的质子导体材料是科研人员面临的一项难题。近日，华南理工大学华南软物质科学与技术高等研究院殷盼超教授课题组通过氢键构筑的聚乙二醇-多酸三维网络，实现了质子的有效传递，在353 K时电导率高达1.01*10^-2 S cm^-1。此质子导体材料还表现出特殊的假塑性流体行为，保证了其作为电解质使用时的安全性、可加工性以及与电极材料的相容性。相关成果在线发表于Chem. Sci.（DOI: 10.1039/C9SC02779C）并被选为该杂志内封面。

殷盼超教授课题组简介

课题组致力于利用高分子物理手段，尤其是X光和中子散射手段研究材料的结构和构效关系，发展高通量材料表征手段，初步构筑材料基因概念，最终实现材料的针对性设计和制备。目前主要聚焦于基于分子簇-高分子的纳米复合材料在催化、气体分离、质子导体以及固态电解质材料上的应用。课题组研究主要得到国家高层次人才计划青年项目、科技部重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、广东省自然科学基金自由探索项目、中央高校业务费以及华南理工大学人才项目建设启动经费的资助。课题组目前有副教授1名，博士后2名，博士8名，硕士8名，本科生2名。本课题组热烈欢迎对于高分子物理、纳米复合材料、高分子化学以及无机化学感兴趣的博士后、研究生以及本科生加入我们的大家庭。

殷盼超教授简介

殷盼超，华南理工大学华南软物质科学与技术高等研究院研究员。2009年毕业于清华大学化学工程系，获得工学学士学位。2013年于美国里海大学化学系获得博士学位。2013-2015年在美国阿克伦大学高分子科学系从事博士后研究。2015-2017年于美国橡树岭国家实验室中子科学部担任研究员。2016年入选第十二批国家高层次人才计划青年项目。2017年至今，受聘于华南理工大学华南软物质科学与技术高等研究院，担任特聘研究员。殷盼超研究员已发表SCI期刊论文73篇。尤其2015年独立以来，殷盼超教授以通讯作者身份在J. Am. Chem. Soc., Nano Lett., Chem. Sci., J. Phys. Chem. Lett., Chem. Commun., Chem. Eur. J.等高水平杂志上发表论文20余篇。论文SCI总引用达到2218余次，H-Index为24（至2019年7月）。

前沿科研成果

聚乙二醇-多金属氧酸盐

半固态电解质的研究

能源与环境问题是当代社会面临的一大挑战，而燃料电池作为一种清洁、高效的电化学发电装置，是缓解此类问题的有效方法。质子导体材料作为质子交换膜燃料电池的核心部件，不仅仅是电池阴阳极的隔膜，也承担着传导质子的重任。一个理想的质子导体材料应该具有：较高的质子电导率、与电极材料良好的相容性、低重量、高韧性、高变形性和优越的加工性能等（Chem. Rev. 2007, 107, 3904-3951）。多金属氧酸盐（POMs）是一大类主要由金属-氧多面体连接构成的结构明确、大小在纳米级别的分子簇。作为小分子与纳米粒子之间的过渡区，亚纳米分子簇（主要为Lindqvist和Keggin型）具有较高的比表面积、催化效率、质子导电性以及良好的稳定性。为提高多酸稳定性，日本东京大学Sayaka Uchida课题组，将聚乙二醇（PEG）放入多酸晶体的孔道中。所形成的晶体复合物，在443 K的非湿环境中，可实现1.2*10^-5 S cm^-1的电导率（J. Solid State Chem. 2016, 234, 9）。同时，殷盼超教授课题组利用中子散射技术证明，在此聚乙二醇-多酸晶体复合材料中，PEG链正好充当了质子传递的桥梁，质子与PEG的O原子结合，随着聚合物链的纵向移动实现质子的有效传递（J. Phys. Chem. Lett. 2018, 9, 5772-5777）。但在此体系中，PEG链被限制在POM晶体孔道中，这实际上极大地限制了聚合物链的运动，材料电导率不高，且此质子导体材料未保留其有机组分的优点，力学性能较差。针对以上问题，本文通过降低多酸的结晶能及其对聚合物链的限制作用，在提高聚乙二醇-多酸复合材料电导率的同时，保证其拥有良好的力学性能和可加工性（图1）。

图1 聚乙二醇-多酸纳米复合材料的性能示意图

（来源：Chem. Sci.）

作者以分子量为400的聚乙二醇聚合物（PEG400）为基底，将磷钨酸（PW₁₂）溶解在其中，得到透明、稳定的聚乙二醇-多酸纳米复合材料（PEG400-PW₁₂）。同时通过小角X光散射（SAXS）技术，对此复合材料的结构进行了表征（图2）。数据结果显示，磷钨酸在聚乙二醇基底中保留了其结构的完整性。同时，当磷钨酸浓度较高时，SAXS谱图中未观察到磷钨酸的晶体衍射峰，证明了PW₁₂在基底中的均匀分散性。此外，研究人员还对由SAXS数据得到的结构因子，即多酸分子间的距离，进行了统计分析，证明在磷钨酸之间存在排斥作用。

图2 聚乙二醇-多酸复合材料的SAXS数据

（来源：Chem. Sci.）

在性能方面，作者对不同多酸比重的PEG400-PW₁₂样品的电导率进行测试（图3）。结果显示，随着多酸比重的增多，复合材料的电导率大大增加。温度升高，电导率也呈增加的趋势。其中，PEG400-70%PW₁₂样品，在353 K时，电导率可达1.01*10^-2 S cm^-1，接近目前商业化的质子导体材料。通过对质子传导过程中激活能的分析比较，作者发现，在此复合材料中，聚合物链的运动最终实现了质子的有效传递，也进一步验证了之前由中子散射数据得到的结果。

图3 聚乙二醇-多酸电解质导体材料的电导率表征

（来源：Chem. Sci.）

更值得一提的是此聚乙二醇-多酸纳米复合材料的力学性能（图4）。通过流变数据和红外数据，作者发现聚乙二醇与多酸之间存在氢键作用，这使得在多酸比重较高时（PEG400-70% PW₁₂），样品存在特殊的剪切变稀行为。具体来说，静态或低剪切速率下，PEG400-70% PW₁₂粘度较高（273 Pa s），样品表现出固态性质，不具有流动性，保证了其作为电解质时的安全性。高剪切速率下，样品粘度较低，约为100-10 Pa s，PEG 400-70% PW₁₂具有流动性，保证了其可加工性和与电极材料的相容性。

图4 聚乙二醇-多酸复合材料的力学性能表征

（来源：Chem. Sci.）

该工作近期已发表Chemical Science上并被选为内封面，课题组博士生郑昭为文章第一作者，博士生周倩婕负责材料部分电化学性能测试，博士生李牧负责材料小角X光散射测试，殷盼超教授为通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、广东省自然科学基金以及中央高校业务费杰青项目支持。上海光源小角线站BL16B1为样品的SAXS测试提供了大力支持。

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