北京理工大学最新重磅Science！

2024-09-06 11:11:13 来源：材料人分享至：

【导读】

研究显示，在100°C至120°C下工作的中温质子交换膜燃料电池（MT PEMFCs）能够改善动力学和简化热管理/水管理，并拓宽了燃料耐受性，但高温会导致Nafion离子聚合物脱水并加剧气体运输限制。因此，PEMFCs的工作温度通常低于100℃，不同温度的性能差异导致了现有PEMFCs进一步发展面临诸多问题。值得注意的是，超嗜热菌是一种能够在80°C至125°C的极热环境中存在的生物，并且能够进行呼吸并产生能量，类似于MT PEMFCs的运行要求。

【成果掠影】

在此，北京理工大学王博教授和冯霄教授（通讯作者）受超嗜热菌的启发，通过与Nafion交织的共价有机框架（COF）可以实现更高的工作温度，从而提高氢空气PEMFCs的功率密度。作者合成了一种α-氨基酮连接的COF（Am-COF），并将它们与 Nafion（Am-COF/Nafion）交织在一起，为 MT PEMFC 创造了“透气”质子导体，其氢键位点可在高温下保留水分，大孔隙可改善氧气运输。添加此COF后，商业化Pt/C阴极在105℃下的额定功率密度提高了近90%。

与Nafion或COF中的磺酸基团相比，密度泛函理论（DFT）计算表明，COF 相邻层中相邻的羰基（C=O）基团可以同时与水进行分子间氢键合，从而显著提高保水能力。值得注意的是，与基于Nafion的催化剂层（CL）不同，含Am-COF 的CL中的质子电导率不会突然下降，而是在工作温度>100°C时增加，从而确保质子传导不间断。此外，开放式框架离聚物增强的保水性和多孔孔径降低了 CL中的氧传输阻力。在105°C时，具有Am-COF的MEA在0.67 V时达到峰值和额定功率密度，其是没有COF的MEAs的两倍多。

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上。