氢燃料电池研究获重要进展中国科学报

氢能是优化我国能源结构的战略选择，氢燃料电池是其核心技术，其中质子交换膜（PEM）决定电池功率密度，是亟待突破的“卡脖子”问题。

日前，许昌学院教授王景涛团队聚焦金属有机框架（MOFs）中金属节点的电子结构调控，成功制备出一种名为ZnM-BDC-COOH的异质金属有机框架纳米片，为氢燃料电池质子交换膜结构优化与性能提升提供了全新方案。相关研究成果分别发表在《美国化学会?纳米》《先进功能材料》等材料科学期刊。

王景涛团队从金属有机框架金属节点的电子结构调控出发，通过铜离子（Cu2+）、钴离子（Co2+）部分取代锌基MOFs中的锌离子（Zn2+），并引入羧酸基团（–COOH），成功合成了ZnM-BDC-COOH纳米片（其中M代表铜或钴）。

实验发现，ZnCu-BDC-COOH（含铜的纳米片）在80 oC、98%相对湿度条件下质子传导率高达361.5 mS cm-1，是纯锌基MOFs的16倍。

理论计算表明，铜离子引入后通过更强的吸电子作用诱导羧酸基团和异质铜锌金属节点（Zn3CuO(COO)6）节点的电子云产生不对称分布，形成局部电势梯度，从而降低质子解离能和水合质子迁移势垒。将其组装为层状膜后，燃料电池的峰值功率密度达到0.92 W cm-2，并可稳定运行超过100小时。

此外，团队围绕金属有机框架（MOFs）和氢键有机框架（HOFs）在质子交换膜中的结构设计与性能调控进行了系统综述，比较了配位键和氢键在框架稳定性、质子传递网络构筑及膜内传递行为中的作用差异，归纳了本征功能化、酸碱位点构筑、亲水微环境调控等策略，并从规模化制备、运行稳定性、传递机制解析和经济可行性等方面讨论了当前挑战。

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