北京理工大学化学与化工学院王博、冯霄教授团队受高温嗜热菌的生存策略启发开发了“会呼吸”的离子导体，使得燃料电池额度功率密度提高了1.9倍。9月6日团队相关成果发表在《Science》上。
文章题为“Oxygen- and proton-transporting open framework ionomer for medium-temperature fuel cells”。传统依赖水进行质子转运的质子导体，在“中温”（> 100℃）条件下会由于失水导致质子传输通道阻断，传导能力大幅下降，这为中温质子交换膜燃料电池的发展带来了极大的挑战。研究团队受高温嗜热菌的生存策略启发，开发了“会呼吸”的离子导体。通过精准设计的仿生多孔框架所形成的多重氢键“锁水”作用，在“中温”下可实现快速水介导质子传导，同时降低氧传输阻力，使得燃料电池额度功率密度提高了1.9倍。
该工作的第一作者为北京理工大学化学与化工学院博士生杨建伟，通信作者为王博和冯霄，北京理工大学是该工作的第一作者和唯一通讯作者单位。
氢能是我国能源结构向绿色低碳转型的重要载体，质子交换膜燃料电池（PEMFC）则是氢能利用的关键环节。研究团队前期开发了多孔框架离聚体，解决了低温PEMFC催化层中“最后一纳米”的氧气传质问题。发展中温燃料电池，即将燃料电池的工作温度提高到100℃以上，可以增强催化剂反应动力学、简化水/热管理、提高对于广谱氢来源的宽容度，具有极为重要的应用价值。离聚体（商用通常为以Nafion为代表的全氟磺酸树脂）作为燃料电池催化层中传输质子的桥梁，是影响电化学反应效率的关键组分之一。在低温PEMFC中，质子在离聚体吸附的水分子层上以Grotthuss机制进行传输。然而，当电池温度大于100℃时，由于离聚体失水，导致质子传输路径被阻断。同时，水蒸气分压上升，会加剧氧气传输阻力。因此，如何“锁住”水分子并确保气体渗透成为燃料电池在中温条件下能否正常工作甚至提高性能的关键问题。
其实，自然界的生物深谙此道，团队向在极端温度下生存的高温嗜热菌学习，发现其依赖于通过细胞膜进行气体交换以及渗透物（如脯氨酸、异亮氨酸和甜菜碱等，均具有α-氨基酮基团）维持细胞内的水合作用。这种生存之道与中温燃料电池所需的“会呼吸”离聚体的设计思路不谋而合。受此启发，团队首次设计了基于α-氨基酮连接的共价有机框架（COF），通过将其与Nafion编织在一起，构筑了> 100 ℃条件下“会呼吸”的质子导体。这一突破创造了一个微妙的环境，即不仅提升催化层“锁住”水分子能力，加速了质子传导，还保证气体的渗透性，模仿了高温嗜热菌的生存策略。最终，以商用铂碳为催化剂，引入多孔框架离聚体之后的燃料电池在105℃工作温度下额定功率密度达到9.5 W mg−1Ptcathode，相比以纯Nafion作为离聚体的燃料电池提高了1.9倍。
该研究理论计算部分由北京理工大学谢静教授团队和中国科学技术大学王奉超教授团队完成，本研究还得到了重点研发项目、国家自然基金委相关项目、北京市科技计划项目、中国博士后科学基金等项目的支持。
作者介绍
王博
北京理工大学
教授、博士生导师，校党委常委、副校长
北京理工大学教授、博士生导师，校党委常委、副校长，中国科协常委,高能量物质前沿科学中心主任; 教育部科技委委员。从事新型纳米多孔材料和仿生开放框架聚合物理论与设计及其在关键分离过程、生物医学和能源等领域的应用研究。国家杰出青年科学基金获得者，入选国家“万人计划”领军人才、国家创新人才推进计划中青年科技创新领军人才。获“科睿唯安世界高被引科学家”，爱思唯尔“中国高被引学者”，教育部自然科学一等奖（第一完成人），中关村杰出青年科学家奖，未来探索奖，青山科技奖，“中国化学会青年化学奖”，北京青年五四奖章等荣誉。在Nature、Science、Nature Materials、JACS、Angew等学术期刊上发表100余篇论文，论文SCI总他引超过28000次；获国际授权专利6项，获中国授权发明专利8项。
冯霄
北京理工大学化学与化工学院教授、博士生导师
北京理工大学化学与化工学院教授、博士生导师，于北京理工大学材料学院取得博士学位，博士期间留学于日本分子科学研究所，2013年入职北京理工大学。主持国家自然科学基金优秀青年科学基金项目、面上项目等。获教育部自然科学一等奖、中国化学会“菁青化学新锐奖”等奖项。入选科睿唯安全球高被引科学家、爱思唯尔中国高被引学者。担任《中国科学：化学》、Sci. China Chem.、Chin. Chem. Lett.、《化学学报》等期刊青年编委。从事关于共价有机框架材料等多孔材料孔道内的传质与能源转化应用研究。以通讯作者发表包括Science、Nat. Mater.、JACS、Angew等50余篇论文。
杨建伟
北京理工大学化学与化工学院博士生
北京理工大学化学与化工学院博士生，于上海大学取得学士学位，北京理工大学取得硕士学位，目前在北京理工大学攻读博士学位。研究方向为共价有机框架材料设计及能源相关应用，以第一/共一作者在Science、J. Energy. Chem.等期刊上发表论文，参与发表SCI收录论文5篇。
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