中原工学院邵志超/翟黎鹏/米立伟JMCA：磺酸基COF杂化的质子交换膜提供燃料电池功率密度

第一作者：邵志超

通讯作者：翟黎鹏*，侯红卫*，米立伟*

单位：中原工学院，郑州大学，山东大学

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有高功率密度、安全便携、清洁高效的能源利用技术，在解决能源短缺和环境污染方面具有广阔的应用前景。在这方面，通过质子导电材料设计构建性能优异的燃料电池是必要和迫切的。目前，杜邦公司的Nafion质子交换膜因其机械强度好、全水态质子导电性高、使用寿命长而广泛应用于燃料电池。然而，有机小分子的穿透会在阴极处产生混合电势，导致燃料电池异常放电。

此外，质子的电导率通常取决于水的存在，高湿度容易产生液态水阻塞气体传输通道，导致“液泛”。引入功能化纳米填料(SiO₂、MOFs、石墨烯等)是提高质子交换膜含水量和保水能力的有效途径，有望提高质子转移通道的连续性，增强质子转移。因此，设计和开发新型高效质子输运功能杂化材料具有重要意义。

基于此，中原工学院先进材料研究中心邵志超博士在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Sulfonated covalent organic framework packed nafion membrane with high proton conductivity for H₂/O₂ fuel cell applications”的研究型论文。该研究结果表明磺酸单元在COFs材料功能化中具有重要作用，同时扩展了COF-Nafion杂化膜在质子交换燃料电池中的应用前景。

图1.磺酸基COF结构及杂化膜制备示意图。

首先以溶剂热法在pyrex 管120 ℃ 的温度下加热 72 小时。经过过滤、洗涤和干燥处理得到高晶态固体 COFs 样品，产率为 80%。采用粉末X射线衍射(PXRD)研究了ZUT-COF-SO₃H的结晶度。采用a=b= 22.86 Å， c= 3.6 Å的单元参数重建其理论模型。AA堆积方式生成的PXRD曲线与实验PXRD图吻合良好，AA叠置模式下，层间距离最小为3.49 Å，较短的叠置距离有利于不同磺酸基团之间的质子转移。N₂吸附测试表明孔径为1.39 nm，与模拟晶体结构的理论孔径接近。

要点二：COF-Nafion质子交换膜的构建

将合成的ZUT-COF-SO₃H样品作为纳米填料制备COF-Nafion质子交换膜。良好的亲水性和稳定性使复合膜具有良好的保水性。同时，丰富的磺酸盐位点和规律的通道为质子输运提供了保证。在温和条件下(80%湿度)，ZUT-COF-SO₃H掺杂量为10%时，COF-Nafion膜的质子电导率为0.1338 S·cm^-1，是纯Nation膜的2.4倍。

图2 COF-Nafion质子交换膜的性能测试。

要点三：COF-Nafion质子交换膜在燃料电池中的应用

将10% ZUT-COF-SO₃H@Nafion作为燃料电池组装的质子交换膜，并在80℃下进行性能测试，开路电压达到0.97986 V。当电流增加到640.179 mA/cm²时，最大功率密度达到304.056 mW/cm²。优异的功率密度高度依赖于增强的质子电导率，降低了固体电解质膜的电阻。这些结果表明，ZUT-COF-SO₃H@Nafion杂化膜可以作为PEMFC固体电解质的候选材料。

Sulfonated covalent organic framework packed nafion membrane with high proton conductivity for H₂/O₂ fuel cell applications

邵志超，博士，讲师，硕士生导师。2020年毕业于郑州大学，获博士学位，同年任职中原工学院先进材料研究中心，主要研究方向为功能多孔材料在能源和环境方面的应用。在Angew. Chem. Int. Ed.、 Chem. Mater.、Chem. Sci.、 Chem. Commun.、J. Hazard. Mater.、ACS Appl. Mater. Interfaces 等杂志上发表论文40余篇。授权国家发明专利1项。

翟黎鹏，博士，副教授，硕士生导师。河南省高校科技创新人才，2017 年毕业于日本国立分子科学研究所，获博士学位。2019 任职于中原工学院先进材料研究中心。主要研究方向为新型二维高分子(Covalent Organic Frameworks, COFs)的结构设计，合成以及在光电，传感，环境，能源等相关领域的应用，共在 Angew，Chem. Mater. Adv. Funct. Mater.， ACS Mater. Lett.，Chem. Commun，等刊物公开发表 SCI 论文 30 余篇。

1）功能性盐产品开发；

2）储能材料与器件；

3）MOF/COF 设计与性能调控。

发表 SCI 收录论文 197 余篇，其中 ESI 高被引论文 8 篇，被引用 5425 次；授权国家发明专利 21 件；出版学术专著 2 部。

研究方向为开发新型的广泛应用于国防工业的非线性光学材料，以及有效的治疗重金属中毒和环境中水污染治理的晶态分子反应器，在“J. Am. Chem. Soc.”、“Angew. Chem. Int. Ed.”、“Coord. Chem. Rev.”、“Chem. Mater.”、“Chem. Sci.”、“J. Mater. Chem. A”、“Chem. Commun.”、“J. Hazard. Mater.”、“ACS Appl. Mater. Interfaces” 、 “Chem. Eur. J.”、等杂志上发表论文500余篇，论文被SCI引用的次数超过了11000次，h-index为66，连续八年被Elsevier旗下的Scopus数据库评为中国高被引学者。

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