北京理工大学最新《Science》！

燃料电池是低碳未来的重要能源技术。它们通过电化学反应将氧和氢转化为电。与电池相比，只要有氧气和氢气供应，燃料电池就可以连续工作。由于不需要含碳燃料，燃料电池提供了低碳或零碳电力的承诺。燃料电池所需的氢和氧可以通过环境友好的方式获得，例如分别通过水裂解和空气分离。然而，目前的燃料电池设计存在铂催化剂利用率低、反应速度慢以及铂成本高的问题。

日前，北京理工大学王博、冯霄团队提出了一种设计，首次提出并构筑了适用于燃料电池催化层的多孔共价有机框架（COF）离聚物来显著改善燃料电池的性能，这种多孔材料可以促进燃料向催化剂的运输并提高其利用率。相关成果以题为“Covalent organic framework-based porous ionomers for high-performance fuel cells”发表在《Science》期刊。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm6304

在不牺牲功率密度和耐久性的情况下，降低燃料电池中的铂（Pt）负载是非常理想的，但由于催化剂表面附近的高质量传输阻力，因此具有挑战性。在质子交换膜燃料电池中，Nafion离聚物通常会过度包裹和抑制铂催化剂，并会阻碍催化剂层中的气体传输。本研究通过将离子共价有机骨架（COF）纳米片并入Nafion，优化离聚体，从而定制三相微环境。COF的六边形孔改善了气体传输，固定在孔壁上的磺酸基团减少了与铂的结合，从而抑制了其活性。2.8至4.1纳米的介孔孔径和附加的磺酸盐基团能够实现质子转移并促进氧气渗透。Pt的质量活度和含Pt/Vulcan的燃料电池的峰值功率密度（阴极中每平方厘米0.07 mg Pt）均达到无COF时的1.6倍。该策略适用于不同铂负载量和不同商用催化剂的催化剂层。

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图1 燃料电池中Pt/C@COF-Nafion催化层及其作用机理图

图2. 燃料电池性能和耐用性；与文献数值的比较