景行
一、【科学背景】
质子交换膜燃料电池是助力低碳经济发展的重要能量转换装置，催化剂层内部的质子输运效率直接决定电池的氢能‑电能转换效率与铂利用率。目前广泛使用的全氟磺酸离聚物（如Nafion），受催化剂‑离聚物界面纳米限域效应影响，会发生聚集行为改变，致使其质子电导率远低于本体膜。传统研究大多聚焦于调控酸性基团的密度、酸性强弱与空间分布来改善质子传导，但仅依靠酸性基团的设计很难突破催化剂层质子输运的固有瓶颈。生物体内质子泵可依靠酸碱位点协同实现超快质子传递，给相关研究带来启发，同时现有改性离聚物方案容易破坏碳骨架导电性，缺少能够同时兼顾质子输运、气体渗透、抑制催化剂中毒的改性策略，因此亟需开发全新界面机制来破解催化剂层质子传导受限的现实难题。
二、【创新成果】
近日，北京理工大学王博教授、冯霄博士和李婕特别副研究员团队将含路易斯碱位点的有机开放框架与Nafion复合，构建受限布朗斯特酸‑路易斯碱界面，实现质子输运性能大幅提升。该复合离聚物借助多步磺酸盐‑路易斯碱‑水接力路径降低质子迁移能垒，破坏界面水分子氢键网络，同时在催化剂界面富集质子，质子自扩散系数提升一个数量级，质子电导率提升6.5倍，质子转移活化能下降55%。该策略还可以适配不同开放框架、碳基催化剂与烃类离聚物，普适性强；加速老化测试证明复合离聚物改性电池具备更优异循环耐久性，同时缓解磺酸基团对铂催化剂的中毒效应，氧气传质阻力也得到同步改善。
图1布朗斯特酸‑路易斯碱界面加速质子输运。基于开放框架构建的布朗斯特酸‑路易斯碱界面，通过构筑低能垒输运通道并降低水网络内氢键数量，从而提升质子交换膜燃料电池内部的质子传导能力。© 2026 Science
图2燃料电池性能与相关分析。(A、B)分别采用810 cm⁻¹与1152 cm⁻¹激光辐照得到Pt/C@TTF‑g3/Nafion的原子力显微镜‑红外化学映射图。(C) Pt/C@TTF‑g3/Nafion与Pt/C@Nafion的氢‑空气极化曲线与功率密度图；阳极/阴极铂载量、测试条件：80 ℃，相对湿度100%，绝对压力150 kPa，氢气/空气流量500/500 sccm，误差棒来自三组平行样品。(D) Pt/C@TTF‑g3/Nafion和Pt/C@Nafion在0.8 V、0.7 V、0.67 V电位下的功率密度。(E)本研究制备膜电极与已报道文献中膜电极的氢‑空气燃料电池性能对比。© 2026 Science
图3质子所处环境以及输运特征。(A) 2 A·cm⁻²、氢‑氧工况条件下测得Pt/C@TTF‑g3/Nafion与Pt/C@Nafion的弛豫时间分布图谱。(B)相对湿度100%条件下，TTF‑g3/Nafion与Nafion纳米薄膜的阿伦尼乌斯曲线图。(C)由脉冲场梯度核磁共振得到Nafion与TTF‑g3/Nafion的自扩散系数。(D、E)水合条件下TTF‑g3/Nafion(D)与Nafion(E)的氢谱脉冲场梯度核磁共振谱图。(F) Nafion与TTF‑g3/Nafion的氢谱脉冲场梯度核磁共振信号随磁场梯度强度的衰减曲线。(G、H)重水合条件下TTF‑g3/Nafion(G)与Nafion(H)的氘谱脉冲场梯度核磁共振谱图。(I) Nafion与TTF‑g3/Nafion的氘谱脉冲场梯度核磁共振信号随磁场梯度强度的衰减曲线，分别对应酸缔合氘核与酸碱界面氘核的扩散行为。© 2026 Science
图4质子输运的机理研究。(A) Nafion与TTF‑g3/Nafion体系质子转移的吉布斯自由能变化图。(B)旋转圆盘电极测试中，Pt/C@Nafion与Pt/C@TTF‑g3/Nafion电流密度随电位变化的动力学同位素效应，误差棒来自三组平行样品。(C)计算得到TTF‑g3/Nafion和Nafion体系水分子的氢键数量分布。(D)不同氢键数目水分子对应的氢键键能分布。(E)80 ℃、100%相对湿度条件下测得Nafion和TTF‑g3/Nafion的原位红外光谱。(F)分子动力学模拟计算得到Nafion与TTF‑g3/Nafion的质子自扩散系数。(G)饱和氧气的0.1 M高氯酸电解液中，不同可逆氢电极电位条件下，Pt/C@TTF‑g3/Nafion与Pt/C@Nafion的原位紫外‑可见光谱。(H、I)在0.5 V可逆氢电极电位、饱和氧气的0.1 M高氯酸电解液条件下，Pt/C@TTF‑g3/Nafion(H)与Pt/C@Nafion(I)随时间变化的和频产生光谱。© 2026 Science
图5布朗斯特酸‑路易斯碱复合体系促进质子输运的策略。(A)具备不同路易斯碱位点含量的共价有机框架化学结构式。(B) Pt/C@Nafion、Pt/C@苯环‑共价有机框架/Nafion、Pt/C@吡嗪‑共价有机框架/Nafion以及Pt/C@四嗪‑共价有机框架/Nafion的极化曲线与功率密度图；测试条件：80 ℃，100%相对湿度，绝对压力150 kPa，氢气/空气流量500/500 sccm，误差棒基于三组平行样品。(C)在氢‑氧工况、2 A·cm⁻²电流密度条件下采集得到上述四组样品的弛豫时间分布图谱。© 2026 Science
该研究实现了一种高性能质子交换膜燃料电池，以“Open framework–based Brønsted acid–Lewis base interfaces boost proton transfer in the fuel cells”为题发表在国际顶级期刊Science上，引起了相关领域研究人员热议。
三、【科学启迪】
综上所述，该研究跳出只依靠布朗斯特酸基团设计离聚物的传统思路，证实酸‑碱协同界面是提升质子输运的有效新路径，为质子交换膜燃料电池离聚物的开发开辟全新设计范式。研究揭示界面氢键环境、质子接力传递、局域质子富集三者之间的内在关联，证明不改变材料吸水能力，仅重构界面微观化学环境，就能够显著改善输运动力学，为理解受限空间内质子输运机理提供重要实验依据。该开放框架复合策略不局限于燃料电池领域，对其他需要质子传递的电化学能量转换体系、多相催化、仿生传质体系均具备参考价值，同时启示后续材料研发，不应只关注本体材料性能，更要重视纳米受限条件下界面的协同效应，从界面机制出发定向设计高性能功能材料。
原文详情：Open framework–based Brønsted acid–Lewis base interfaces boost proton transfer in the fuel cells, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp3564
本文由景行撰稿
