质子扩散新技术有望提升燃料电池性能！

材料牛注：利物浦大学的研究人员在燃料电池领域取得重大突破，这有助于开发性能更优异的燃料电池材料。

质子交换膜燃料电池（Proton-exchange membrane fuel cells，PEMFCs）被认为是21世纪很有前途的，用于清洁高效发电的新能源技术。PEMFCs中的质子交换膜（proton exchange membrane，PEM）将带正电的质子从电池正极转移到负极。大多数PEMs中水合质子通过水网膜传输。

为设计获得性能更优异的PEM材料，需要更深入分析如何改进交换膜的结构，使质子更容易从中传导。然而，许多PEMs是由非晶态聚合物组成的，研究人员难以获得其内部更精细的结构组成。

利物浦大学化学系的研究人员在这一领域取得新的突破。他们在封闭空腔内合成分子，形成小分子（水分子、二氧化碳分子等）聚集的多孔有机“笼”。当“笼”中形成固体结构后，不同“笼”之间会形成小通道，供“做客”的小分子自由来往。

有机笼的排布非常规律，其内部形成晶体结构。研究人员可以采用晶体学方法对其结构进行相对模糊的描述，从而大致确定不同原子的相对位置。笼内分子可溶于普通固溶体中，这表明它可以与其它材料结合形成薄膜。

在不同的多孔有机笼之间“搭建”水通道之后，研究人员通过测试内部的质子电导率，用以评估其作为PEM的可行性。结果表明，有机笼质子电导率达到10^-3S/cm，这一数值与文献中多孔框架材料的最优数值相当。

通过与英国爱丁堡大学等单位进行合作研究，研究人员采用实验测量与计算机模拟的方法获得了关于笼内质子传导丰富的图像信息。

在有机笼晶体中与质子传导特征相关的PEM材料设计中，有两个重要的设计原则：首先是水通道是三维延伸的，这表明质子运动不限于某一特定的方向，这与目前许多多孔材料的测试结果一致；其次，有机笼有助于水分子的运动，使质子在管道中的传输更流畅。同时，笼内水分子可以重组，这对长距离水分子内的质子传输也很重要。

实验项目负责人Ming Liu博士表示，“除了引入新级别的质子导体，这项研究为PEM新材料设计提供了新的方向”。例如，水溶固体在有机笼的‘柔性约束’下，新型无水质子导体的质子电导率不受水分子影响，这有利于设计出高温PEMFCs”。

利物浦大学化学家Sam Chong博士补充说，“这项研究工作涉及对质子扩散的基础研究，因而在生物学领域也有重要的意义”。

Sam Chong博士已经被任命为利物浦大学材料创新工厂的讲师。目前6800万美元科研资金已经被投入到革命性的材料化学研究与发展中，目标是通过研发新材料，为各种制造工艺升级换代，节约能源和自然资源。

原文链接：Proton diffusion discovery a boost for fuel cell technologies。

文献链接：Three-dimensional protonic conductivity in porous organic cage solids。

本文由编辑部杨超提供素材，李玉飞编译，点我加入材料人编辑部。

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