图 燃料电池中Pt/C@COF-Nafion催化层及其作用机理示意图
在国家自然科学基金项目（批准号：22171022、21922502、21971017、21805292、21625102）等资助下，北京理工大学化学与化工学院王博教授和冯霄教授团队在燃料电池领域取得新进展，相关研究成果以“基于共价有机框架多孔离聚物的高性能燃料电池（Covalent organic framework-based porous ionomers for high-performance fuel cells）”为题，于2022年10月14日发表在《科学》（Science）杂志。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm6304。
质子交换膜燃料电池是最有应用前景的氢能利用方式之一，其技术发展和大规模应用的关键在于开发高性能、低成本的膜电极材料。由Pt/C催化剂和离聚物构成的催化层，作为膜电极的核心，是燃料电池中电化学反应发生的场所。为保证电化学反应的效率，催化层需要同时为反应所需的质子、反应气体提供可以到达催化剂表面的通道。目前，催化层中使用的离聚物为链状全氟磺酸树脂（PFSA，Nafion），可实现质子的快速传导。但与此同时，Nafion会对催化剂造成过度包裹，降低催化剂活性位点的利用率，同时导致较大的气体阻力。
针对这一挑战，该研究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，改善气固液三相界面中的传质问题，突破了传统链状离聚物的束缚，显著提高了催化层的传质效率，大幅提高燃料电池的功率密度。如图所示，该二维聚合物平面结构由六边形骨架在二维方向上无限周期性延展而成，六边形骨架内部锚定了磺酸基悬臂提供高的质子传导能力，COF孔道能够为氧气和水提供通路。采用多孔COF离聚物使得商用Pt/C催化剂的质量活性和燃料电池的峰值功率密度均提高了1.6倍。
多孔离聚体在不牺牲质子传导性的条件下引入具有丰富介孔的刚性开发框架纳米片，优化燃料电池催化层的ORR三相微环境，大幅提升燃料电池的性能。COF良好的热稳定性、酸碱稳定性、抗溶胀能力和结构可设计性使其在高温燃料电池或碱性燃料电池中具有广阔的应用前景。