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氫燃料電池因為清潔無污染和高能量轉換效率的優(yōu)點而受到廣泛關注。膜電極(MEA)作為質子交換膜燃料電池(PEMFCs)的關鍵部件，對質子交換膜燃料電池的性能起著決定性作用。在膜電極組件（MEA）的催化劑層（CL）中，ORR發(fā)生在氧-水-催化劑的三相界面上。離聚物是質子交換膜和Pt催化劑中質子電流位點之間的質子導電連接，在PEMFCs中主導著三相微環(huán)境。目前，全氟磺酸聚合物（PFSA，或Nafion）是應用最廣泛的離聚物。然而，PFSA使用在燃料電池中存在鉑催化劑利用率低、反應速度慢等問題。

圖1. 燃料電池中Pt/C@COF-Nafion催化層及其作用機理圖

近日，北京理工大學王博、馮霄帶領的研究團隊在《Science》期刊發(fā)表的題為“Covalent organic framework-based porous ionomers for high-performance fuel cells”的成果中設計了一種將磺酸功能化的DhaTab-COF(SDT-COF)作為復合離聚物加入到Nafion中作為燃料電池催化層來改善燃料電池的性能，結果證明，這種多孔材料可以促進三相界面的ORR，提高Pt的利用率，實現了低Pt負載的PEMFCs的高功率密度。

作者以單體2,5-二羥基對苯二甲醛（Dha）和1,3,5-三（4-氨基苯基）苯（Tab）為原料合成了DhaTab-COF（RDT-COF），將丙磺酸鈉鹽接枝到RDT-COF的孔壁上，然后進行酸化，得到了SDT-COF，優(yōu)化了離聚體，從而定制三相微環(huán)境。COF的六邊形孔改善了氣體傳輸，固定在孔壁上的磺酸基團減少了與鉑的結合，從而抑制了其活性。2.8至4.1納米的介孔孔徑和附加的磺酸鹽基團能夠實現質子轉移并促進氧氣滲透。Pt的質量活度和含Pt/Vulcan的燃料電池的峰值功率密度（陰極中每平方厘米0.07 mg Pt）均達到無COF時的1.6倍。該策略適用于不同鉑負載量和不同商用催化劑的催化劑層。

圖2. 燃料電池性能和耐用性

眾所周知，質子交換膜含水率對質子傳導能力有較大影響，同時也會影響氧氣在質子交換膜中溶解擴散。作者通過測量質子交換膜的動態(tài)水蒸氣吸附等溫線及吸附動力學性能（BSD-DVS 多站重量法氣體蒸氣吸附儀，原型號 3H-2000PW）研究了SDT-COF膜的吸濕性能。與Nafion相比，SDT-COF膜的動態(tài)吸水能力遠遠低于Nafion膜的吸水能力。說明在燃料電池工作過程中，質子傳輸通道只有部分會被水分子占據，氧氣能夠穿透剩余的空間。作者還在30% RH和60% RH條件下進行了燃料電池性能測試，結果證明，隨著濕度的降低，加入SDT-COF后，電池性能的降低程度逐漸降低。

圖3. 質子交換膜吸濕性能評價-吸附等溫線、吸附動力學曲線