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鋰電池阻燃新材料——聚芳醚腈MOFs

2022-11-04 11:05:29

聚芳醚腈(PEN)是一種線性芳香高分子，包含大量剛性芳環以及氧醚鍵或硫醚鍵，具有很高的耐熱性、耐腐蝕、阻燃性、機械強度、防紫外線（抗輻射）和抗蠕變性，廣泛應用于電子、機械制造、汽車零部件、航空航天及國防軍事等領域。

PEN自上世紀發明以來，就非常熱門，但由于技術壁壘高，國外主要有美國杜邦在做，盡管我國有如四川飛亞新材料、川化集團、湖北紐蘇萊新材料等涉足PEN，但目前仍依賴進口。

由于傳統PEN無法滿足許多特殊環境下的功能性需求，因此隨后開發出的功能性聚芳醚腈更讓人關注。

1. 聚芳醚腈的導電性應用——磺化聚芳醚腈（SPEN）

側鏈帶磺酸基團的聚芳醚腈是利用2，6-二氟苯甲腈，磺化對苯二酚與不同酚結構單體在碳酸鉀催化下得到的，既有PEN的基本性能，又有了理想的力學性能和質子導電性，其質子電導率表現相當優異。

制備的SPEN薄膜，作為質子交換燃料電池（如甲醇燃料電池）的關鍵材料，為質子的傳輸提供有效的離子通道，同時還可以阻隔氣體混合，當下的許多質子交換膜很難解決耐熱性、耐潮性、耐氧化性的問題，比如全氟磺酸-聚四氟乙烯膜，成本、溫度依賴性、一定濕度下較低強度和熱穩定性都是需要優化的領域。

2. 聚芳醚腈的重金屬離子吸附應用——羧基PEN纖維

水污染問題越來越受到人們的關注，重金屬離子更是其中一項危害極大的污染，由于食物鏈的富集作用極容易對人造成嚴重后果，在各類凈化手段中，離子吸附是一項經濟、有效、簡單的方法。而PEN制成的的納米纖維基膜，側鏈引入羧基等功能性基團后，擁有高的孔隙率和比表面積，具有優異的陽離子交換性能。

納米纖維離子吸附膜微觀圖

3. 聚芳醚腈的光功能化應用

近年來，研究表明PEN屬于發射峰位于深藍光區域的本征型熒光高分子，可實現光功能化。以酚酞啉為單體制備的側鏈含羧基反應性聚芳醚腈（PEN-COOH）發射峰位于~420 nm的藍光波段，既有特種工程塑料優異性能，又有本征型熒光發射與反應性基團的光功能化特點。圍繞PEN-COOH，列舉了三種不同的光功能化應用。

方向一，化學傳感

以PEN-COOH為能量給體和纖維載體，制備基于熒光共振能量轉移效應的高分子/無機熒光復合材料，對汞離子（Hg2+）可視化、可循環、高靈敏度熒光分析。

方向二，免疫檢測

以PEN-COOH薄膜制成的柔性基底，替代剛性基底，在低溫下（約200-300℃），制備特定形貌的貴金屬（如金，銀）納米微粒/粉末，制備出的復合材料粒徑分布均勻，有高穩定性，可生物功能化等特點，可用于如前列腺特異性抗原的免疫檢測。

方向三，生物成像

利用羧基與金屬陽離子的絡合反應，再經過交聯反應得到納米顆粒，可進一步提升PEN-COOH發光效率。PEN-COOH納米顆粒有較好的生物相容性、尺寸可控性和穩定性，以及高量子產率的藍光發射，能實現細胞內的生物成像。

4. MOFs隔膜——聚芳醚腈耐高溫自阻燃鋰電池隔膜

鋰電池已經在多行業得到普及，高密度能量的電池一直是各大廠商開發的重點領域之一。Li作為陽極材料，在長期充放電循環過程中可能產生鋰枝晶問題和鋰沉積，導致降低電池循環，此外比如鋰枝晶還會緩慢生長，刺入正負極隔膜，一旦發生破裂，正負極物質反應升溫短路產生電火花引起火災。

盡管已經有許多人在研究解決鋰金屬電池中的鋰枝晶問題，如電解液加入添加劑、鋰電池負極界面改性、固態電解質、隔膜改性、設計集流體、人工固態電解質界面（SEI）層等，但隔膜作為電解液存儲器為內部離子擴散傳輸提供了通道，隔膜一直被認為是抑制鋰枝晶和調節鋰離子遷移的最理想途徑。金屬有機框架，即MOFs，擁有可調有序的孔結構、高比表面積和充足的不飽和金屬位點，許多MOFs改性隔膜是用粘接劑涂覆的，削弱MOFs功能，傳統的聚烯烴隔膜的熱穩定性并不高，也有安全隱患。

近日，電子科技大學材料與能源學院先進功能高分子材料團隊研發出了新方案，利用聚芳醚腈的耐高溫、阻燃性構建的PEN特種高分子反相膜基質，構建出具有三明治結構的復合隔膜(MOFs/NA/MOFs)，實驗結果表明該MOFs隔膜可顯著抑制鋰枝晶生長。