北理工首次構(gòu)筑燃料電池多孔離聚物研究成果在Science發(fā)表
發(fā)布日期：2022-10-24 供稿：化學(xué)與化工學(xué)院 攝影：化學(xué)與化工學(xué)院
編輯：段凱龍 審核：王振華 閱讀次數(shù)：
10月14日,，北京理工大學(xué)王博教授團(tuán)隊(duì)在Science上發(fā)表文章“Covalent organic framework-based porous ionomers for high-performance fuel cells”,，在氫能領(lǐng)域針對(duì)燃料電池核心膜電極（MEA）氣固液三相界面中離子導(dǎo)通,，氣,、水輸運(yùn)和電催化的問(wèn)題,，首次提出并構(gòu)筑了適用于燃料電池催化層的多孔共價(jià)有機(jī)框架（COF）離聚物,。多孔框架離聚物（Porous Ionomer）概念的提出突破了傳統(tǒng)鏈狀離聚物的束縛，可顯著提高催化層的傳質(zhì)效率,，大幅提高燃料電池的功率密度,，使得鉑碳（Pt/C）催化劑的質(zhì)量活性和燃料電池的峰值功率密度均提高了1.6倍。該工作的第一作者為北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院博士后張慶暖,，通信作者為王博和馮霄,，北京理工大學(xué)是該工作的第一作者和唯一通訊作者單位。
圖1 燃料電池中Pt/C@COF-Nafion催化層及其作用機(jī)理示意圖
文章中詳細(xì)探討了多孔COF離聚物在燃料電池催化層中的作用機(jī)制,，分析了介孔COF納米片對(duì)催化層中氣體擴(kuò)散,、質(zhì)子傳輸和水管理的影響。相較傳統(tǒng)的鏈狀離聚物,，多孔COF離聚物具有以下優(yōu)勢(shì)：
1） 利于氣體傳質(zhì),。添加多孔COF離聚物后，H2-air電池中極限電流密度下O2的傳質(zhì)阻力降低了40%,。氧氣滲透測(cè)試表明,，COF與Nafion混合基質(zhì)膜的氧氣滲透性比純Nafion膜有了顯著提升，并可以在濕度下仍維持氣體通過(guò)能力,。
2） 高質(zhì)子傳導(dǎo)性,、優(yōu)化水管理。多孔COF離聚物的質(zhì)子傳導(dǎo)率略高于Nafion,，其孔道結(jié)構(gòu)和吸放水的能力既有利于抑制高功率密度下水淹現(xiàn)象的發(fā)生,，又可以在低濕度下助力燃料電池展現(xiàn)出較好的性能。
3） 緩解了催化劑毒化作用,。多孔COF納米片產(chǎn)生的空間位阻作用顯著降低了離聚物對(duì)Pt/C催化劑的過(guò)度包裹,，緩解了磺酸基和Pt之間的直接接觸，有助于暴露出更多的Pt活性位點(diǎn),，增加了電化學(xué)活性表面積,，提高了催化劑的質(zhì)量活性。
圖2 基于商用Pt/C催化劑的MEA的陰極Pt負(fù)載量和峰值功率密度與文獻(xiàn)數(shù)值的比較
通過(guò)多孔離聚體的設(shè)計(jì)理念,，即在不犧牲質(zhì)子傳導(dǎo)性的條件下引入具有豐富介孔的剛性開(kāi)發(fā)框架納米片,，可大幅提升燃料電池的性能。在超低鉑的含量下,，其功率密度達(dá)到了新的記錄,，這意味著有望將產(chǎn)生1 kW電的費(fèi)用降低三分之一左右。此外,，美國(guó)能源部（DOE）設(shè)定的2025年的目標(biāo)是將膜電極中鉑族金屬總含量降至0.1 g kW?1,。使用多孔COF離聚物優(yōu)化催化層的結(jié)構(gòu)之后，商業(yè)催化劑即可接近這個(gè)目標(biāo),。
COF良好的熱穩(wěn)定性,、酸堿穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性也使其在高溫燃料電池或堿性燃料電池中同樣具有廣闊的應(yīng)用前景,。多孔COF離聚物的設(shè)計(jì)策略對(duì)優(yōu)化燃料電池催化層的ORR三相微環(huán)境具有里程碑的意義。
該工作得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目,、國(guó)家自然基金委面上項(xiàng)目,、優(yōu)青項(xiàng)目、北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目,、中國(guó)博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持,。
相關(guān)論文信息：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm6304
附作者介紹：
王博，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院教授,、博導(dǎo),，校黨委常委、副校長(zhǎng),；中國(guó)科協(xié)第十屆常委，高能量物質(zhì)前沿科學(xué)中心主任,。于北京大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位,，美國(guó)密歇根大學(xué)和加州大學(xué)洛杉磯分校分別獲碩士、博士學(xué)位,。國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者,，入選國(guó)家級(jí)人才計(jì)劃、國(guó)家創(chuàng)新人才推進(jìn)計(jì)劃中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才,。從事新型納米多孔材料和分子捕捉,、分離及其在能源儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的研究。承擔(dān)科技部,、國(guó)家自然科學(xué)基金委,、北京市等多項(xiàng)重點(diǎn)、重大項(xiàng)目,。在Nature,、Science、Nature Materials,、JACS,、Angew等學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表100余篇論文，論文SCI他引超過(guò)17000次,；獲美國(guó)授權(quán)專(zhuān)利6項(xiàng),，獲中國(guó)授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利8項(xiàng)。
馮霄,，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院教授,、博導(dǎo)，于北京理工大學(xué)材料學(xué)院取得博士學(xué)位（導(dǎo)師：董宇平）,，博士期間留學(xué)于日本分子科學(xué)研究所（導(dǎo)師：江東林）,，2013年入職北京理工大學(xué),。主要從事關(guān)于共價(jià)有機(jī)框架材料等多孔材料孔道內(nèi)傳質(zhì)與分離研究。主持國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目,、面上項(xiàng)目等,，以通訊作者發(fā)表包括Science、Nat. Mater.,、J. Am. Chem. Soc.,、Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun.等四十余篇論文,。獲中國(guó)化學(xué)會(huì)“菁青化學(xué)新銳獎(jiǎng)”“北京地區(qū)廣受關(guān)注學(xué)術(shù)論文”等獎(jiǎng)項(xiàng),，擔(dān)任《中國(guó)科學(xué)：化學(xué)》、Sci. China Chem.,、Chin. Chem. Lett.青年編委,。
張慶暖，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院博士后,，博士畢業(yè)于北京理工大學(xué)（導(dǎo)師：張韞宏教授）,，之后分別在中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所（合作導(dǎo)師：閻興斌教授）和北京理工大學(xué)（合作導(dǎo)師：王博教授）從事博士后研究工作。從事電化學(xué)儲(chǔ)能器件方面的研究,，包括燃料電池,、超級(jí)電容器等。主持國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目,、北京市優(yōu)秀人才培養(yǎng)資助青年骨干個(gè)人項(xiàng)目,、中國(guó)博士后特別資助（站中）項(xiàng)目和中國(guó)博士后面上基金項(xiàng)目。共發(fā)表文章15篇,，發(fā)明專(zhuān)利1項(xiàng),。
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