质子交换膜燃料电池（PEMFCs）在高温下的性能提升对简化其热管理和水管理有重要意义。然而，目前普遍使用的Nafion聚合物在100°C以上的环境中会发生脱水，导致燃料电池性能下降。如何提升PEMFCs的工作温度，并在高温下保持高效的质子传导，是该领域研究的一大难题。北京理工大学研究团队受超嗜热菌（可在极端高温环境中存活的微生物）的启发，提出了一种全新方案，显著提升了质子交换膜燃料电池在105°C条件下的性能。
北京理工大学王博教授和冯霄教授（通讯作者）带领的团队通过合成一种基于α-氨基酮的共价有机框架（Am-COF），并将其与Nafion交织结合，成功打造了一种在高温下“透气”的质子导体。这一创新材料不仅提高了中温PEMFCs的功率密度，还优化了氧气的传输能力。在105°C的条件下，该质子导体的使用使PEMFCs的额定功率密度提升了近90%。
通过密度泛函理论（DFT）计算，研究进一步揭示了该COF的独特水保持能力，其分子结构中的羰基基团能够与水分子形成分子间氢键，从而有效防止高温条件下的脱水现象。相关研究成果以“Oxygen- and proton-transporting open framework ionomer for medium-temperature fuel cells”为题，发表在Science期刊上。
共价有机框架（COF）材料创新：
团队设计了与Nafion交织的α-氨基酮连接的COF，创造了一个高温下稳定的“透气”质子导体，有效解决了PEMFCs在高温下的脱水问题。
保水性与氧气传输优化：
通过独特的COF结构，显著提升了材料的保水性，并在高温条件下仍然保持稳定的质子传导和氧气传输能力。
高温性能提升：
在105°C的工作温度下，采用该COF的PEMFCs功率密度相比无COF的PEMFCs提升了101%，其额定功率密度也增加了187%。
图一：Nafion与Am-COF交织材料在高温下的水吸附能量变化 © 2024 AAAS
图二：Am-COF的分子结构及其合成路线 © 2024 AAAS
图三：不同温度下Am-COF的保水性对比 © 2024 AAAS
图四：105°C下质子导电性与燃料电池性能的实验结果 © 2024 AAAS
图五：Am-COF材料在PEMFCs中的氧气传输模型 © 2024 AAAS
该研究通过在Nafion中掺入共价有机框架（COF）材料，成功突破了质子交换膜燃料电池在高温条件下的性能瓶颈。该“透气”质子导体展现了在高温下优异的保水性和氧气传输能力，为未来PEMFCs的发展提供了全新的解决方案。这一创新为高效燃料电池技术的进一步发展奠定了坚实基础。
参考文献：
“Oxygen- and proton-transporting open framework ionomer for medium-temperature fuel cells” (Science, 2024, 10.1126/science.adq2259)
