北京理工大学王博&冯宵，最新Science！

【导读】

商用质子交换膜燃料电池（roton-exchange membrane fuel cells, PEMFCs）正极上的氧还原反应（ORR）通常由铂（Pt）基催化剂催化。然而，在保持高功率密度和耐用性时，减少PEMFCs的Pt负载量仍然具有挑战性。通过合金化和纳米结构策略制备新的催化剂，但其性能常通过旋转圆盘电极（RDE）技术进行评估，很难转化为膜电极。在膜电极组件（MEA）的催化剂层（CL）中，ORR发生在氧-水-催化剂三相界面。目前，全氟磺酸聚合物（PFSA或Nafion）是应用最广泛的离聚物，但PFSA包覆催化剂导致高气体扩散阻力。此外，Nafion中的-SO₃H基团可强烈吸附并占据Pt表面的活性位点，从而降低Pt活性，进而降低相应的质量活性（MA）和功率密度。

虽然加入疏水性聚四氟乙烯或造孔材料等添加剂可以改善传质，但是在不牺牲CL中质子电导率下优化气体扩散，以实现低Pt负载量的高效燃料电池仍面临着巨大挑战。共价有机骨架（COFs）是一类结晶多孔聚合物，其具有原子预先设计的结构、高比表面积等优点，在传质方面显示出显著的潜力。但是，它们的机械性能以及燃料电池中从负极到正极的H₂交叉风险为其实际应用带来了障碍。
【成果掠影】

在2022年10月13日，北京理工大学王博教授和冯宵教授（共同通讯作者）等人报道了通过将磺酸功能化的DhaTab-COF（SDT-COF）作为复合离聚体（相应的CL表示为Pt/C@SDT-Nafion)。SDT-COF具有由分子构建单元分隔的固有六边形纳米孔，使CL具有改进的气体传输能力。与孔壁相连的-SO₃H基团确保了通道内的快速质子传导，而Nafion有助于降低COF纳米片之间的界面阻抗。SDT-COF的硬度和高孔隙率也有助于减弱-SO₃H基团在Pt上的吸附。通过对具有不同孔径的其他COF以及其他刚性磺化材料进行控制实验，证明了该COFs的特殊性能。在CL中添加带有介孔孔径的COFs可促进三相界面的ORR，并改善Pt的使用，以实现低Pt负载的PEMFCs的高功率密度。研究成果以题为“Covalent organic framework–based porous ionomers for high-performance fuel cells”发布在国际著名期刊Science上。

【数据概览】

图一、Pt/C@COF-Nafion的概述©2022 American Association for the Advancement of Science

图二、SDT-COF的结构特征©2022 American Association for the Advancement of Science

图三、燃料电池性能和耐久性©2022 American Association for the Advancement of Science

图四、比较质量传输性能©2022 American Association for the Advancement of Science

图五、中毒效应©2022 American Association for the Advancement of Science

【小结】

总之，通过引入COFs，在低Pt负载（0.07 mg_Pt cm^-2）下，使用未改性的商用Pt/C、PtCo/C或Pt/KB催化剂，MA、耐久性和粉末密度可以超过或接近DOE目标。此外，作者使用聚苯乙烯磺酸（PSA）取代催化层中的Nafion，在没有进一步优化下，使用PSA-COF离聚体的MEA性能与纯Nafion的性能相当。对于离聚体的设计原则，作者在线性离聚体中引入了具有介孔孔径的刚性网络纳米片，而不牺牲质子电导率。离子型COFs的热稳定性和结构设计性也使其在高温燃料电池和碱性燃料电池中具有广阔的应用前景。

文献链接：Covalent organic framework-based porous ionomers for high-performance fuel cells. Science, 2022, DOI: 10.1126/science.abm6304.

本文由CQR编译。

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