北京理工大學王博&馮宵，最新Science！

【導讀】

商用質子交換膜燃料電池（roton-exchange membrane fuel cells, PEMFCs）正極上的氧還原反應（ORR）通常由鉑（Pt）基催化劑催化。然而，在保持高功率密度和耐用性時，減少PEMFCs的Pt負載量仍然具有挑戰性。通過合金化和納米結構策略制備新的催化劑，但其性能常通過旋轉圓盤電極（RDE）技術進行評估，很難轉化為膜電極。在膜電極組件（MEA）的催化劑層（CL）中，ORR發生在氧-水-催化劑三相界面。目前，全氟磺酸聚合物（PFSA或Nafion）是應用最廣泛的離聚物，但PFSA包覆催化劑導致高氣體擴散阻力。此外，Nafion中的-SO₃H基團可強烈吸附并占據Pt表面的活性位點，從而降低Pt活性，進而降低相應的質量活性（MA）和功率密度。

雖然加入疏水性聚四氟乙烯或造孔材料等添加劑可以改善傳質，但是在不犧牲CL中質子電導率下優化氣體擴散，以實現低Pt負載量的高效燃料電池仍面臨著巨大挑戰。共價有機骨架（COFs）是一類結晶多孔聚合物，其具有原子預先設計的結構、高比表面積等優點，在傳質方面顯示出顯著的潛力。但是，它們的機械性能以及燃料電池中從負極到正極的H₂交叉風險為其實際應用帶來了障礙。
【成果掠影】

在2022年10月13日，北京理工大學王博教授和馮宵教授（共同通訊作者）等人報道了通過將磺酸功能化的DhaTab-COF（SDT-COF）作為復合離聚體（相應的CL表示為Pt/C@SDT-Nafion)。SDT-COF具有由分子構建單元分隔的固有六邊形納米孔，使CL具有改進的氣體傳輸能力。與孔壁相連的-SO₃H基團確保了通道內的快速質子傳導，而Nafion有助于降低COF納米片之間的界面阻抗。SDT-COF的硬度和高孔隙率也有助于減弱-SO₃H基團在Pt上的吸附。通過對具有不同孔徑的其他COF以及其他剛性磺化材料進行控制實驗，證明了該COFs的特殊性能。在CL中添加帶有介孔孔徑的COFs可促進三相界面的ORR，并改善Pt的使用，以實現低Pt負載的PEMFCs的高功率密度。研究成果以題為“Covalent organic framework–based porous ionomers for high-performance fuel cells”發布在國際著名期刊Science上。

【數據概覽】

圖一、Pt/C@COF-Nafion的概述?2022 American Association for the Advancement of Science

圖二、SDT-COF的結構特征?2022 American Association for the Advancement of Science

圖三、燃料電池性能和耐久性?2022 American Association for the Advancement of Science

圖四、比較質量傳輸性能?2022 American Association for the Advancement of Science

圖五、中毒效應?2022 American Association for the Advancement of Science

【小結】

總之，通過引入COFs，在低Pt負載（0.07 mg_Pt cm^-2）下，使用未改性的商用Pt/C、PtCo/C或Pt/KB催化劑，MA、耐久性和粉末密度可以超過或接近DOE目標。此外，作者使用聚苯乙烯磺酸（PSA）取代催化層中的Nafion，在沒有進一步優化下，使用PSA-COF離聚體的MEA性能與純Nafion的性能相當。對于離聚體的設計原則，作者在線性離聚體中引入了具有介孔孔徑的剛性網絡納米片，而不犧牲質子電導率。離子型COFs的熱穩定性和結構設計性也使其在高溫燃料電池和堿性燃料電池中具有廣闊的應用前景。

文獻鏈接：Covalent organic framework-based porous ionomers for high-performance fuel cells. Science, 2022, DOI: 10.1126/science.abm6304.

本文由CQR編譯。

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