DOI: 10.1016/j.nanoen.2022.107738

测量离聚物纳米纤维离子电导率的能力可使许多清洁能源技术（如：聚合物电解质燃料电池）得到自底向上的改进，同时这仍然是一个巨大的挑战，由于难以无损固定样品并消除接触阻抗和基质的干扰。在此，研究者开发了一种测量系统，采用微电极芯片和新颖的样品焊接策略来应对这一挑战。微电极芯片由四个金探针和中心的一个空腔组成。四探针设置消除了载流电极的接触阻抗和任何界面效应。中心腔使被测纳米纤维能够悬浮，从而排除了基体干扰。在光学显微镜下，通过相同的受试纳米纤维溶液将悬浮纤维焊接到探针上，以便在样品和金探针之间形成紧密连接。与常用的电子束诱导沉积纳米焊接方法相比，这种自焊接方法可以避免电子辐照对被测样品的损伤。使用所开发的系统测量的质子电导率具有很高的准确性，并为离聚物纳米纤维的质子传导机制提供了深入见解。此外，所提出的方法可以应用于其他离子导电纳米纤维或纳米薄膜。

图1.离聚物纳米纤维微电极的制备过程。a）在表面有氧化层的硅衬底上沉积Au；b）通过反应性离子蚀刻（RIE）方法蚀刻中间电极之间的基板。c）使用纳米纤维操纵系统通过微探针将纳米纤维置于微电极上；d）通过微量移液器将离聚物溶液的微小液滴注入纳米纤维与微电极之间的接触区域；e）将离聚物液滴干燥成薄膜并进行阻抗测量。电极A和D是载流电极，电极B和C是四探针设置中的电位感应电极。

图2.a）静电纺丝法制备离聚物纳米纤维以及收集到的不同尺寸离聚物纳米纤维的SEM图像；b）离聚物纳米纤维通过离聚物薄膜焊接到微电极上的SEM图像。所选纳米纤维直径为650nm；c）离聚物薄膜和离聚物纳米纤维的能量色散X射线光谱；d）直径为730nm的离聚物纳米纤维的形貌、粗糙度和杨氏模量。

图3.a）测量系统等效电路模型；b）单根离聚物纳米纤维在不同气体气氛（空气、稀释氢气或氮气）下和使用不同测量装置（2探针或4探针）的EIS；c）单根离聚物纳米纤维在电压阶跃下的响应电流和计算阻抗。气体气氛为稀释氢气（氮气为4%），测量装置为2探针，施加的电压步长为0.5V。d）不同长度的单根离聚物纳米纤维的EIS；e）由本研究中的微电极和用于膜测量的常规装置测定的Nafion®211的质子电导率以及文献中的对应值。离聚物纳米纤维的直径为650nm。

图4.a）使用不同焊接方法固定在微电极上的单根离聚物纳米纤维的EIS和b）显微镜或SEM图像；c）不含纳米纤维的裸微电极的EIS及相应的等效电路模型；d）SEM成像前后，使用自焊接方法固定在微电极上的单根离聚物纳米纤维的EIS。单根离聚物纳米纤维的直径为650nm。

图5.a）不同PEO与离聚物重量比的离聚物薄膜预处理前后的质子电导率；b）单根离聚物纳米纤维在预处理前后的质子电导率。纳米纤维直径为650nm，纳米纤维中PEO与离聚物的重量比为2%；c）FT-IR光谱：i）PEO颗粒；ii）Nafion粒子；iii）预处理前的离聚物薄膜（PEO含量为2wt%）；iv）预处理后的离聚物薄膜。