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04
2026
-
06
Nat. Chem.: 把“多阴离子”变通道，超分子框架实现高功率燃料电池
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背景
质子交换膜是燃料电池的核心组件，其性能直接决定电池的功率密度与运行稳定性。然而，当前商业膜材料（如Nafion）普遍存在结构复杂、传输机制不清晰以及性能提升受限等问题，难以进一步突破：高电导与高稳定性难以同时实现。传统聚合物膜依赖微相分离结构构建传导通道，但这种无序体系限制了对质子传输路径的*调控，使性能优化逐渐逼近瓶颈。因此，开发结构可设计、通道可调控的新型质子导体成为关键方向。
创新
近日，东华大学宣为民研究员团队提出“阳离子导向组装+后修饰功能化策略”，构建有序多阴离子–有机框架（POFs）用于*质子传导。研究通过设计具有三角构型的阳离子结构单元，与多金属氧簇（POMs）进行尺寸匹配组装，利用定向C–H···阴离子氢键，实现多阴离子的有序嵌入与稳定固定，构筑出具有一维有序通道的框架结构。在此基础上，通过后修饰引入咪唑鎓与磺酸基团，进一步提高通道内的电荷密度与亲水性。这种“*组装+序贯功能化”带来了协同效应：一方面，高电荷密度与限域环境促进水分子定向分布，构建连续氢键网络；另一方面，功能基团的空间排布优化了质子跳跃路径，使传输机制以Grotthuss机制为主导。最终，该材料实现高达7.04 × 10⁻² S cm⁻¹的质子电导率，并在与Nafion复合后，使燃料电池功率密度提升至1367 mW cm⁻²，较商业膜提升约33%。
意义
该工作突破了传统聚合物膜“结构不可控”的限制，通过超分子组装实现了从分子层面*设计质子传导通道，为高性能膜材料提供了全新范式。更重要的是，这一策略将“有序结构构筑”与“功能后调控”相结合，实现了电导率与稳定性的协同提升，同时具备良好的加工性与兼容性，为实际应用奠定基础。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/ZwddT2TBE6dODrRBoJuN9Q
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