【導讀】
研究顯示，中溫重大重磅在100°C至120°C下工作的燃料中溫質子交換膜燃料電池 （MT PEMFCs） 能夠改善動力學和簡化熱管理/水管理，并拓寬了燃料耐受性，電池大學但高溫會導致Nafion離子聚合物脫水并加劇氣體運輸限制。突破因此，北京PEMFCs的理工料牛工作溫度通常低于100℃，不同溫度的中溫重大重磅性能差異導致了現(xiàn)有PEMFCs進一步發(fā)展面臨諸多問題。值得注意的燃料是，超嗜熱菌是電池大學一種能夠在80°C至125°C的極熱環(huán)境中存在的生物，并且能夠進行呼吸并產生能量，突破類似于MT PEMFCs的北京運行要求。
【成果掠影】
在此，理工料牛北京理工大學王博教授和馮霄教授（通訊作者）受超嗜熱菌的中溫重大重磅啟發(fā)，通過與Nafion交織的燃料共價有機框架（COF）可以實現(xiàn)更高的工作溫度，從而提高氫空氣PEMFCs的電池大學功率密度。作者合成了一種α-氨基酮連接的COF（Am-COF），并將它們與 Nafion（Am-COF/Nafion）交織在一起，為 MT PEMFC 創(chuàng)造了“透氣”質子導體，其氫鍵位點可在高溫下保留水分，大孔隙可改善氧氣運輸。添加此COF后，商業(yè)化Pt/C陰極在105℃下的額定功率密度提高了近90%。
與Nafion或COF中的磺酸基團相比，密度泛函理論（DFT）計算表明，COF 相鄰層中相鄰的羰基（C=O）基團可以同時與水進行分子間氫鍵合，從而顯著提高保水能力。值得注意的是，與基于Nafion的催化劑層（CL）不同，含Am-COF 的CL中的質子電導率不會突然下降，而是在工作溫度>100°C時增加，從而確保質子傳導不間斷。此外，開放式框架離聚物增強的保水性和多孔孔徑降低了 CL中的氧傳輸阻力。在105°C時，具有Am-COF的MEA在0.67 V時達到峰值和額定功率密度，其是沒有COF的MEAs的兩倍多。
相關研究成果以“Oxygen- and proton-transporting open framework ionomer for medium-temperature fuel cells”為題發(fā)表在Science上。
【核心創(chuàng)新點】
1.本文通過與Nafion交織的共價有機框架（COF）可以實現(xiàn)更高的工作溫度，從而提高氫空氣PEMFCs的功率密度；
2.受超嗜熱菌中發(fā)現(xiàn)的滲透壓啟發(fā)，本文合成了一種α-氨基酮連接的COF（Am-COF），為 MT PEMFC 創(chuàng)造了“透氣”質子導體；
3.在商業(yè)化Pt/C中，MT PEMFCs在105°C溫度下以H2和空氣為燃料，與沒有COF的電池相比，其能夠實現(xiàn)18.1和9.5 W mg-1Ptcathod的峰值和額定功率密度，分別提高了101%和187%。
【數(shù)據(jù)概覽】
圖一、離子聚合物內質量傳輸和水吸附能量?? 2024 AAAS
圖二、透氣開放骨架離子聚合物的合成? 2024 AAAS
圖三、保水性評估? 2024 AAAS
圖四、質子傳輸和燃料電池性能? 2024 AAAS
圖五、氧氣輸運過程和主客體相互作用? 2024 AAAS
【成果啟示】
綜上所述，本文創(chuàng)新性的將“透氣”性開放框架離子聚合物摻入中溫 PEMFCs的CL中創(chuàng)造了一個微環(huán)境，同時強調了提高保水性和確保透氣性的重要性。這一重大突破顯示了結晶離子聚合物在解決中溫PEMFCs性能方面的優(yōu)勢，從而為解決高溫下脫水和氣體傳輸帶來的一系列挑戰(zhàn)提供了一種新的機會。
文獻鏈接：“Oxygen- and proton-transporting open framework ionomer for medium-temperature fuel cells”（Science，2024，10.1126/science.adq2259）
本文由材料人CYM編譯供稿。
