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19
2026
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05
Science子刊：让质子“穿片+跳跃”，二维纳米片膜实现高温燃料电池新突破
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背景
质子交换膜是燃料电池等电化学装置的核心，其性能直接决定器件效率与稳定性。提高运行温度（>100 °C）不仅可以加快电极反应动力学、降低催化剂中毒效应，还能简化系统水热管理，因此被认为是提升燃料电池性能的重要方向。然而，当前主流膜材料依赖水分子构建质子传导网络，在高温条件下易发生脱水，导致质子电导率急剧下降。虽然磷酸掺杂或固体酸体系可在高温下实现质子传导，但仍存在酸流失与稳定性不足等问题。
研究表明，原子层厚的二维纳米片（如单层石墨烯和氮化硼）能够选择性透过质子并有效阻隔燃料分子，使其成为构建高温质子传导膜的理想材料。然而，尽管纳米片堆叠能够构筑具有良好机械性能的宏观膜结构，但层间质子传输受限，传输阻力大、路径曲折，难以充分发挥其本征优势。因此，如何实现穿片传输与层间传输的协同强化成为急需解决的关键问题。
创新
近日，澳大利亚莫纳什大学王焕庭院士团队联合科廷大学邵宗平教授及墨尔本大学刘哲教授团队提出“纳米限域磷酸桥接策略”，通过在二维纳米片之间引入限域磷酸，实现多机制协同传导。以功能化单层石墨烯与氮化硼纳米片为构筑单元，在其层间构建稳定的二维纳米通道，并将磷酸限域其中。一方面，原子级薄纳米片允许质子通过“穿片传输”（包括热扰动诱导与量子隧穿机制），提供低阻路径；另一方面，层间磷酸形成致密氢键网络，使质子在层间进行快速“跳跃传输”。这种“穿片+跳跃”的协同机制显著降低了传输曲折度，同时抑制磷酸在高温下的流失，实现稳定的无水质子传导。最终，该膜在250 °C下实现166 mS cm⁻¹的高电导率，并在氢燃料电池中达到1011 mW cm⁻²的高功率密度。
在此基础上，研究进一步拓展至直接甲醇燃料电池（DMFC）体系。由于二维纳米片对质子具有高度选择性而对甲醇分子几乎不可渗透，该膜显著抑制了传统膜中的“甲醇交叉”问题。在高达16 M浓度甲醇条件下，DMFC仍可在250 °C实现502 mW cm⁻²的创纪录峰值功率密度，并保持较低交叉电流密度，远优于传统PBI/PA膜体系。同时，即使提高甲醇浓度，开路电压几乎不受影响，展现出优异的燃料阻隔能力与运行稳定性。这一特性使其在便携式能源设备（如无人机、电动车）中具有明显优势。
意义
该工作通过纳米尺度结构设计，将二维材料的本征优势与限域质子导体结合，实现了高温条件下质子传输性能的突破。相比传统依赖水合网络的体系，这种无水传导模式为高温电化学器件提供了全新解决方案。
更重要的是，该研究不仅在氢燃料电池中实现高性能输出，还通过有效抑制甲醇渗透，显著提升了DMFC在高浓度燃料条件下的适用性，为高能量密度便携式电源提供了关键支撑。同时，其可规模化制备路径也进一步增强了实际应用潜力。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/_m3CAmEt4UJ-Ed7T2qw1bg
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