在2022年4月8日，馬里蘭大學胡良兵教授等人在Science發表綜述文章“High-entropy nanoparticles: Synthesis-structure-property relationships and data-driven discovery”，即高熵納米顆粒：合成-結構-屬性關系和數據驅動的發現。詳見：

離子交換膜（ion exchange membranes）具有正或負官能團，可以促進反離子的選擇性傳輸，廣泛用于燃料電池、電解槽等電化學裝置中。其中，氫氧化物交換膜（hydroxide exchange membranes, HEMs）有望在堿性條件下使用的低成本無鉑（platinum-free）電催化劑結合，但在強堿性溶液中穩定性不夠。

基于此，美國馬里蘭大學胡良兵教授（通訊作者）等人報道了一種Cu²⁺交聯殼聚糖（殼聚糖-Cu）材料，作為一種穩定且高性能的HEM。其中，Cu²⁺離子與殼聚糖的氨基和羥基配位，使殼聚糖鏈交聯，將聚合物鏈的兩倍對稱結構改變為獨特的三倍螺旋構象，形成六變形納米通道（直徑約1 nm），可以適應水擴散，并且快速且選擇性的促進陰離子（OH^–）傳輸。在室溫和100%相對濕度（RH）下，氫氧化物電導率高達67 mS cm^-1。

此外，Cu²⁺配位還提高了HEM的機械強度，降低了滲透性，最重要的是，提高了其在堿性溶液中的穩定性。在80 ℃下運行1000 h后，電導率損失僅為5% 。這些優點使殼聚糖-Cu成為一種優異的HEM，作者在直接甲醇燃料電池（direct methanol fuel cell, DMFC）中展示了這一優點，該電池的功率密度高達305 mW cm^-2?。殼聚糖-Cu HEM的設計原理是通過極性官能團的金屬交聯在聚合物中生成離子傳輸通道，這可以激發許多用于離子傳輸、離子篩選、離子過濾等的離子交換膜的合成。

離子交換膜（ion exchange membranes）具有正負官能團，可促進反離子的選擇性運輸，在燃料電池等領域廣泛的應用。其中，作為應用最廣泛的質子交換膜，Nafion具有高質子電導率、良好的穩定性和優良的加工性能，但其帶負電荷的磺酸基團限制了在酸性環境中的功能。而陰離子交換膜，尤其是氫氧化物交換膜（HEMs）在堿性條件下運行，使得非貴金屬催化劑、雙極板和其他堆疊組件的使用成為可能，從而大幅降低成本。目前，開發了幾種基于具有陽離子官能團的聚合物作為HEMs的候選材料，用于氫氧化物傳導。然而，在苛刻的基本操作條件下，這些陽離子基團仍然容易受到氫氧化物的侵蝕，導致HEMs材料的降解和長期化學穩定性差。因此，在氫氧化物交換所需的堿性條件下，開發具有高氫氧化物導電性和足夠化學穩定性的HEMs仍然面臨著巨大的挑戰。

綜上所述，作者開發了一種Cu²⁺-配位殼聚糖材料，并展示了其作為HEM的優異性能。該過程將殼聚糖的斜方晶體結構轉變為三角晶體結構，由交聯的殼聚糖鏈組成，通過Cu²⁺與殼聚糖的-NH₂和-OH基團的配位。由于Cu²⁺-交聯殼聚糖鏈的獨特結構，其中六個鏈通過Cu²⁺連接形成直徑約1 nm的六邊形納米通道，殼聚糖-Cu實現了高OH^–電導率（67 mS cm^-1）的快速OH^–傳輸。

殼聚糖-Cu中Cu-N和Cu-O的強鍵合確保了材料的結構穩定性，即使在惡劣的堿性條件下也是如此。這些特性使殼聚糖-Cu成為一種出色的燃料電池離子交換膜，作者在具有305 mW cm^-2高功率密度的DMFC中證明了這一點。利用金屬離子交聯聚合物形成新HEM材料的概念，為開發高導電性和堿穩定性陰離子交換膜，以及在增值系統中重新評估天然豐富的生物材料提供了一條途徑。

A high-performance hydroxide exchange membrane enabled by Cu²⁺-crosslinked chitosan.Nature Nanotechnology, 2022, DOI: 10.1038/s41565-022-01112-5.

https://doi.org/10.1038/s41565-022-01112-5.