北理工首次構築燃料電池多孔離聚物研究意昂3平台在Science發表
10月14日♦︎，意昂3官网王博教授團隊在Science上發表文章“Covalent organic framework-based porous ionomers for high-performance fuel cells”⚔️，在氫能領域針對燃料電池核心膜電極（MEA）氣固液三相界面中離子導通，氣、水輸運和電催化的問題，首次提出並構築了適用於燃料電池催化層的多孔共價有機框架（COF）離聚物。多孔框架離聚物（Porous Ionomer）概念的提出突破了傳統鏈狀離聚物的束縛😷，可顯著提高催化層的傳質效率，大幅提高燃料電池的功率密度，使得鉑碳（Pt/C）催化劑的質量活性和燃料電池的峰值功率密度均提高了1.6倍🦶🏻。該工作的第一作者為意昂3官网化學與化工學院博士後張慶暖，通信作者為王博和馮霄，意昂3官网是該工作的第一作者和唯一通訊作者單位。
圖1 燃料電池中Pt/C@COF-Nafion催化層及其作用機理示意圖
文章中詳細探討了多孔COF離聚物在燃料電池催化層中的作用機製，分析了介孔COF納米片對催化層中氣體擴散、質子傳輸和水管理的影響🚛。相較傳統的鏈狀離聚物🎲，多孔COF離聚物具有以下優勢🏜：
1） 利於氣體傳質🏕。添加多孔COF離聚物後，H2-air電池中極限電流密度下O2的傳質阻力降低了40%。氧氣滲透測試表明，COF與Nafion混合基質膜的氧氣滲透性比純Nafion膜有了顯著提升👨🏻🚒，並可以在濕度下仍維持氣體通過能力。
2） 高質子傳導性🔄、優化水管理。多孔COF離聚物的質子傳導率略高於Nafion🛏，其孔道結構和吸放水的能力既有利於抑製高功率密度下水淹現象的發生，又可以在低濕度下助力燃料電池展現出較好的性能。
3） 緩解了催化劑毒化作用。多孔COF納米片產生的空間位阻作用顯著降低了離聚物對Pt/C催化劑的過度包裹，緩解了磺酸基和Pt之間的直接接觸✋🏽，有助於暴露出更多的Pt活性位點，增加了電化學活性表面積，提高了催化劑的質量活性。
圖2 基於商用Pt/C催化劑的MEA的陰極Pt負載量和峰值功率密度與文獻數值的比較
通過多孔離聚體的設計理念，即在不犧牲質子傳導性的條件下引入具有豐富介孔的剛性開發框架納米片，可大幅提升燃料電池的性能。在超低鉑的含量下，其功率密度達到了新的記錄✂️🎾，這意味著有望將產生1 kW電的費用降低三分之一左右。此外🧟♂️，美國能源部（DOE）設定的2025年的目標是將膜電極中鉑族金屬總含量降至0.1 g kW−1。使用多孔COF離聚物優化催化層的結構之後，商業催化劑即可接近這個目標。
COF良好的熱穩定性🕵🏻♂️😥、酸堿穩定性和結構可設計性也使其在高溫燃料電池或堿性燃料電池中同樣具有廣闊的應用前景。多孔COF離聚物的設計策略對優化燃料電池催化層的ORR三相微環境具有裏程碑的意義🌡。
該工作得到科技部重點研發計劃項目、國家自然基金委面上項目、優青項目🤛🏿、北京市科技計劃項目👂🏿、中國博士後科學基金等項目的支持🧔🏻♀️。
相關論文信息：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm6304
附作者介紹🚵🏻♂️🤽🏿♂️：
王博，意昂3官网化學與化工學院教授👰🏿、博導，校黨委常委、副校長；中國科協第十屆常委，高能量物質前沿科學意昂3主任。於北京大學獲學士學位🕴🏼，美國密歇根大學和加州大學洛杉磯分校分別獲碩士、博士學位👩🏿🦱。國家傑出青年科學基金獲得者，入選國家級人才計劃、國家創新人才推進計劃中青年科技創新領軍人才。從事新型納米多孔材料和分子捕捉、分離及其在能源儲存轉化和生物醫學應用領域的研究。承擔科技部、國家自然科學基金委🌘、北京市等多項重點🏂🏽、重大項目♗。在Nature🪲、Science🧑🏿💻、Nature Materials、JACS♻、Angew等學術期刊上發表100余篇論文，論文SCI他引超過17000次；獲美國授權專利6項🐀，獲中國授權發明專利8項。
馮霄，意昂3官网化學與化工學院教授⌨️、博導，於意昂3官网材料學院取得博士學位（導師：董宇平），博士期間留學於日本分子科學研究所（導師：江東林），2013年入職意昂3官网。主要從事關於共價有機框架材料等多孔材料孔道內傳質與分離研究𓀆。主持國家自然科學基金優秀青年科學基金項目✮、面上項目等🙇🏻♀️，以通訊作者發表包括Science🪔、Nat. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.🧙🏼♀️、Nat. Commun.等四十余篇論文。獲中國化學會“菁青化學新銳獎”“北京地區廣受關註學術論文”等獎項，擔任《中國科學🧑🏻🦳：化學》、Sci. China Chem.、Chin. Chem. Lett.青年編委。
張慶暖🛵，意昂3官网化學與化工學院博士後📉，博士畢業於意昂3官网（導師：張韞宏教授），之後分別在中國科學院蘭州化學物理研究所（合作導師👏：閻興斌教授）和意昂3官网（合作導師：王博教授）從事博士後研究工作。從事電化學儲能器件方面的研究🦙👨🏼💻，包括燃料電池、超級電容器等🧨。主持國家自然科學基金青年基金項目、北京市優秀人才培養資助青年骨幹個人項目、中國博士後特別資助（站中）項目和中國博士後面上基金項目👨👧👦。共發表文章15篇👎🏼，發明專利1項🛁。