Proton exchange membranes with high through-plane proton conductivity are enormously required for high performance fuel cells, electrolyzers, and batteries. However, isotropically-distributed proton-conducting channel structures of current membranes presents a limitation. Herein, we report a proton exchange membrane with straight proton-conducting channels aligned in thickness direction, achieved by magnetic field-induced alignment of proton-conductive, paramagnetic, one-dimensional tungsten disulfide nanowires (pms-$WS_2$) distributed in a perfluorinated sulfonic acid (Nafion) membrane. The pms-$WS_2$ nanowires feature straight $WS_2$ nanowire as a core, polystyrenesulfonate (PSS) skin layer, and surface-decorated $Fe_3O_4$ nanoparticles. Molecular dynamics simulation suggests that straight proton-conducting channels are constructed at the interface of Nafion/pms-$WS_2$ due to densely populated sulfuronic acids. Spectroscopic investigation and magnetization measurement prove the through-plane alignment of of pms-$WS_2$ under a weak through-plane magnetic field (0.035 T) during the removal of solvent from membrane cast. Compared with a recast Nafion membrane with same thickness, the through-plane aligned composite membrane exhibits 70% higher proton conductivity and 110% higher power performance in proton exchange membrane fuel cell, demonstrating its efficacy. We identify the through-plane alignment of proton-conductive inorganic 1D material promising for improving power performance of advanced electrochemical devices.
높은 수직 방향 수소 이온전도도를 갖는 수소 이온 교환막은 고성능 연료전지, 수전해, 그리고 배터리 분야에서 요구되고 있다. 그러나, 기존의 수소 이온 교환막들은 수소 전달 경로가 등방형 구조를 갖고 있어 수직 방향의 수소 이온 전도도를 높이는데 한계가 있다. 본 연구에서는 수소 이온전도성 및 자성이 있는, 그리고 원기둥 모양의 1차원 구조를 가진 텅스텐 이황화물 ($WS_2$) 나노 와이어 (pms-$WS_2$)를 과불화술폰산 고분자 막 (Nafion) 내에 자기장을 이용하여 수직 방향으로 정렬하였다. Pms-$WS_2$는 중심부에 높은 종횡비를 갖는 곧은 $WS_2$ 나노 와이어와 표면에 산화 철 나노 입자들이 코팅되어 있으며, 최외각면은 폴리스티렌술포네이트 고분자로 덮여 있다. 분자동역학 전산 모사를 통해 Nafion과 pms-$WS_2$ 계면에 높은 밀도의 술폰산에 의해 곧은 수소 이온 전달 채널이 형성된다는 사실을 확인하였다. 또한, 분광 및 자성 분석을 통해 pms-$WS_2$가 Nafion 막 내부에서 약한 자기장 (0.035 T)을 통해 충분히 수직 방향으로 정렬될 수 있음을 증명하였다. 정렬된 구조를 갖는 복합막은 같은 두께의 일반 Nafion 막과 비교하여 70% 높은 수소 이온전도도를 가지며 수소 이온교환막 연료전지에서 110% 높은 출력 성능을 보임을 확인하여 실제 전기화학에너지 장치에서도 충분히 높은 성능으로 사용될 수 있음을 확인하였다.
