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28
2026
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04
AFM: 打破“三难困境”, 超支化双阳离子膜推动燃料电池性能跃迁
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背景
随着氢能体系的发展，阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）因其可使用非贵金属催化剂、成本低等优势，被认为是下一代低温燃料电池的重要方向。然而，其核心部件——阴离子交换膜（AEM）长期面临一个经典难题：电导率–化学稳定性–尺寸稳定性“三难权衡”。传统设计中，提高离子电导率往往依赖增加离子交换容量，但这会带来严重吸水膨胀，降低机械稳定性；而增强结构稳定性又会限制离子传输，导致性能下降。这一矛盾成为制约AEMFC商业化的关键瓶颈。
创新
近日，长春工业大学王哲教授团队提出“超支化双阳离子协同设计策略”，从分子结构层面实现多性能协同优化：
三维超支化骨架构建：引入螺二芴构建刚性三维结构，显著增加自由体积并抑制链间堆叠；
双阳离子协同传输：通过引入双阳离子结构，提高OH⁻传输效率，同时避免单一高离子密度带来的过度溶胀；
连续离子通道形成：超支化结构促进微相分离；构建互联离子传输网络；
性能显著提升：OH⁻电导率达239.95 mS cm⁻¹（80°C）；膨胀率仅21.68%；兼具优异力学与化学稳定性；
燃料电池性能突破：峰值功率密度达1.16 W cm⁻²（80°C）；接近商业膜的2倍性能；连续运行200小时保持稳定；
协同机制实现平衡优化：通过结构与功能的耦合设计，实现导电性与稳定性的统一。
意义
该工作从分子设计出发，成功破解了AEM长期存在的“三难困境”，为高性能燃料电池膜材料提供了清晰的设计路径。通过将“超支化结构”与“双阳离子体系”协同结合，研究实现了离子传输效率与结构稳定性的同步提升，突破了传统单一策略的局限。这一方法不仅提升了膜材料性能，也为AEMFC向高功率密度与长寿命发展奠定了基础。更重要的是，该策略具有良好的通用性，可拓展至其他离子导电体系，为先进膜材料的分子工程设计提供重要指导。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/8ITTQ24pVi7fKMpRuTLiZw
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