氧化石墨烯(GO)膜具有良好的形态、选择性、可控氧化和高纵横比等优点，是多种应用的理想隔膜。然而，由于其形貌所导致的各向异性离子导电特性不利于其通面电导率，而通面电导率对固体电解质在电化学器件中的应用至关重要。

最近，加拿大滑铁卢大学陈忠伟教授提出了一种策略，通过超声辅助Fenton反应降低氧化石墨烯膜在纳米片上形成孔的各向异性程度，从而选择性地提高氧化石墨烯膜的穿透平面质子电导率。所制备的多孔氧化石墨烯(pGO)膜是一种近各向同性的质子导电氧化石墨烯膜，各向异性程度低至2.77，穿透平面的质子电导率比原始氧化石墨烯膜在25℃和100%相对湿度条件下提高47%。最后，证明了将pGO膜作为固体质子传导电解质在酒精燃料电池传感器中的应用，显示出优异的选择性和响应性，出色的线性度以及低至25 ppm的乙醇检测限。该论文以“A Near-Isotropic Proton-Conducting Porous Graphene Oxide Membrane”为题，发表在ACS Nano。

图1 采用SA-Fenton反应和过滤铸造法制备独立式pGO膜

当分析了化学结构和形态变化后，各向异性质子电导的（相对湿度）RH依赖程度可以用图2示意图来描述。随着RH的增加，通面质子电导率显着增加，并且各向异性程度降低。相对于GO膜，pGO膜游离水分子开始在相对较低的RH环境下填充大量且扩大的孔，这些游离水分子补充了不连续的氢键网络，从而完成了促进质子的面内质子传导。高RH和高活化能下面内质子电导率增加。类似地，对于pGO膜的贯穿平面方向，聚集在许多孔中和增大的间隙中的“自由水”分子充当电荷载体，通过载体机制使质子通过pGO纳米片迁移。

图2 在低、中、高RH条件下，pGO膜平面内(左)和穿过平面(右)方向的质子传导机制

为了验证pGO膜作为一种实用且可靠的质子导电膜的潜力，制备了基于氧化石墨烯和pGO膜的乙醇燃料电池传感器(AFCSs)并进行了比较。首先，将获得的独立氧化石墨烯和聚氧化石墨烯膜与商业气体扩散电极(GDE)夹在一起，热压成膜电极组件(MEA)，然后集成到塑料外壳中。然后，使用图3所示的装置评估基于氧化石墨烯和聚氧化石墨烯薄膜的AFCSs性能。基于铂电极的AFCS所期望的高灵敏度归因于近各向同性质子传导的铂电极膜的穿透平面质子导电性的增强。尽管两种AFCS对乙醇蒸气的响应均低至25.4 ppm，但在乙醇蒸气浓度的所有范围内，基于pGO膜的AFCS的响应均优于基于GO膜的AFCS。

图3  (a)电化学气体传感器评价图。(b)在浓度为190.4 ppm时，使用GO和pGO膜的AFCS对乙醇蒸汽的响应曲线。插图为AFCS中电化学原理的示意图，(c)基于聚乙二醇的AFCS对不同浓度乙醇蒸汽的响应曲线，插图为峰面积随乙醇蒸汽浓度的线性曲线

总结：提出并提出了一种通过SA-Fenton反应在GO纳米片上形成孔而降低各向异性质子电导率的方法，来选择性地提高GO膜的透平面质子电导率。在所有测试环境条件下，所获得的pGO膜均显示出比原始GO膜低得多的各向异性。实际上，发现pGO膜在100％RH和室温下具有近乎各向同性的质子传导。在低温和高RH下pGO膜的质子传导性各向异性程度可以进一步降低。pGO和GO膜在不同环境中的有趣各向异性行为与纳米片之间定向HBN中键合的水中间层密切相关。最后，pGO膜的通透平面质子传导性的选择性增强通过其保留的低乙醇检测限以及在采用pGO膜作为固体质子传导电解质的AFCS中优异的乙醇选择性和响应来证明。

全文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c04533