電化學研究中，nafion是一個避不開的內容。但很多同學在做實驗的時候可能經常會有一些誤區，常常把其名字叫錯，有的直接稱為“萘酚”，亦或是知其然不知其所以然，針對這一現象，特此總結，關於nafion，nafion膜以及nafion溶液的那些事。
備註：本文涉及資料來自於網絡論壇，杜邦公司主頁，以及相關電子資料等。
1. 什麼是nafion？
根據杜邦公司的官網介紹[1]，nafion的全稱是全氟磺酸基聚合物，它是由Walther Grot博士通過改變Teflon材料，在20世紀60年代末開發的材料，也是有史以來第一種人工合成的具有離子特性的聚合物。其分子結構式如圖一所示，在其內部，憎水性的疇的鏈端為親水性的磺酸基團，其對陽離子有很好的選擇性，基於這種特質，nafion常被用於作為質子交換膜使用。
圖一 nafion的分子結構式
nafion結合瞭聚四氟乙烯諸多的物理化學特性，同時本身離子特性，最終具備一些特殊的性質：
- 同聚四氟乙烯類似，nafion抗化學腐蝕能力很強，隻有金屬性的堿金屬可以與nafion反應，因此其化學性質非常穩定；
- 工作溫度可以比較高，達到190度左右；
- 離子導電性優良，常被用作陽離子交換膜；
- 同樣是基於其良好的質子交換功能，常被用作修飾電極使用；
- 對水的選擇性和滲透性很好。
2. nafion，nafion膜與nafion溶液
由於nafion具備如此多的優良特性，基於nafion的利用，也 產生瞭許多衍生產品，nafion膜和nafion溶液就是其中兩種。
2.1 nafion膜
上面提及到， nafion具有優良的離子導電特性，因此在電催化中它常被用作陽離子（主要是質子）交換膜，在研究比如OER，HER反應中，都需要使用它，這就是nafion膜。
我們經常可以註意到，根據不同nafion產品的機械強度，導電性等具體差異，nafion膜也分為多種型號，最常見的是nafion117，但也有一些更薄的比如nafion212，nafion115等產品，可以根據具體使用情況加以選擇。
圖二 左：nafion膜產品中常用的性質參數；右：nafion膜
在使用nafion膜之前，經常需要一些預處理步驟，通常的操作是：
先質量分數5%的雙氧水在80度下處理1h，然後用去離子水浸泡半小時；再5%的稀硫酸（質量比）在80℃煮1小時；最後用去離子水浸泡半小時，即可。或者根據用戶的既定習慣，隻進行電解質溶液浸泡後使用，亦可。
之所以要這麼處理，可能的原因就是nafion膜具有一定厚度，浸入電解質溶液之後參與離子交換需要一定時間，因此為保證其離子交換不受幹擾，要充分浸泡，同時雙氧水的使用有助於其去掉其表面在制備轉移過程中可能吸附的一些陽離子。
2.2 nafion溶液
而nafion溶液則主要是是將nafion作為修飾電極使用。這就不得不說到化學修飾電極。這是20世紀70年代發展起來的一種新興的，也是目前最活躍的電化學，電分析化學前沿領域。
1989年IUPAC，電分析化學委員會對化學修飾電極進行命名和定義，指出：化學修飾電極是一種由導體或半導體制作的電極，在電極表面塗覆瞭單分子的，多分子的，離子的或聚合物的化學物薄膜，借法拉第反應而呈現出此修飾薄膜的化學，電化學或者光學性質。
在電催化過程中，我們使用玻碳電極，或者碳電極時，經常會遇到催化劑容易在表面脫落的問題，由於nafion本身是聚合物，有一定粘度，同時也具備優良的導電性，正好結合此特性。因此，許多研究工作中，比如ORR，OER催化劑制備的時候，都會加入一定量的nafion溶液。
但這裡要考慮幾個問題，nafion溶液的加入順序問題，一般情況下nafion有兩種加入方式，一是與ink混合加入，其與催化劑一同形成瞭修飾；二是先將催化劑ink滴在電極表面上，再再其薄膜表面滴一層薄薄的nafion溶液加以保護。從催化劑脫落的角度考慮，前者肯定更有優勢，但從nafion是否幹擾反應的角度考慮，後者似乎更好。目前也有一些研究工作不使用nafion作為交聯劑，而選擇替代品，比如異丙醇等，具體情況還是應具體分析。
此外，還應當考慮nafion的加入量問題。顯然，物極必反，正奇相生。nafion加入固然有諸多好處，但在催化劑表面塗覆太多的nafion溶液，其形成的聚合物薄膜也勢必會影響到催化劑表面同電解質溶劑分子的直接接觸，從而可能對電催化表面反應過程產生影響。同時，還可能帶來電解池內阻增加的問題。
在董紹俊院士等編寫的《化學修飾電極》一書中，對化學修飾電極這一研究領域進行瞭詳細的闡述和總結，其中就講到瞭聚合物修飾電極，其電催化反應中電荷傳質的基本過程。如下圖所示。
（董老師是電分析化學領域的大牛，和汪爾康院士也是科學伉儷，他們的愛情令人艷羨。董老師編寫的這本《化學修飾電極》由淺入深講解瞭化學修飾電極的前世今生，從上個世紀修飾電極的內容開始發展，到現在已經成為熱門領域，nafion的使用已經十分廣泛。但可能很多人，知其然不知其所以然，這本書可以作為一本解惑之語吧。書的內容不多，如果粗讀，很快就可以讀完，如果想要電子版，可以私信我獲取，或關註公眾號“光電催化理論與應用”，在後臺獲取，如果想要紙質版，可以從下方鏈接點入購買）
在這一機制中，基質S穿過聚合物薄膜/電解液界面進行傳輸，其首先擴散到聚合物薄膜中。另一方面，電催化劑或媒介體，R/O，在電極表面經過很快的異相電子轉移，電荷以一定速度也傳遞通過聚合物薄膜。二者在聚合物膜中發生反應，即電催化過程。這種過程也被稱為外殼層反應。
但當涉及到化學鍵斷裂形成過程時，可能要討論更復雜的內殼層催化反應。
從上述分析中也可以看出，nafion膜的厚度確實會對電催化反應過程有非常重大的影響。因此使用過程中一定要十分註意，再註意。
圖三 媒介電催化過程機制示意圖
參考文獻：
1. http://www.permapure.com.cn/
2. 《化學修飾電極》——董紹俊
