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04
2026
-
06
Angew: 二维限域离子液体重构无水高温质子传导
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背景
质子交换膜是燃料电池等电化学系统的核心，其性能直接决定能量转换效率与运行稳定性。尤其在中温（100–300 °C）条件下运行，不仅可以提升反应动力学、降低催化剂中毒，还能简化水热管理，被认为是燃料电池的重要发展方向。然而，现有材料体系仍面临关键瓶颈：无水条件下质子传导效率低、稳定性差。传统Nafion依赖水构建传导网络，在高温下易脱水失效；而磷酸掺杂PBI虽可无水运行，但存在酸流失与腐蚀问题。近年来，离子液体虽具潜力，但其在膜中通常无序分布，离子间强相互作用反而限制质子迁移。因此，如何在无水环境下构建*、有序的质子传导通道成为核心挑战。
创新
近日，澳大利亚莫纳什大学王焕庭院士团队提出“二维限域有序离子通道策略”，通过空间调控实现离子分布与传输机制的重构。研究将离子液体限域于石墨烯与氮化硼纳米片堆叠形成的二维通道中，并通过聚乙烯亚胺（PEI）功能化引入正电表面。该结构诱导离子发生空间分层：阴离子被锚定在通道壁附近，而质子及阳离子集中于通道中心区域，形成连续、低阻的传输路径。这种“离子有序化”显著抑制了离子液体的无序扩散，同时强化了质子沿通道方向的快速迁移。在无水条件下，膜在240 °C仍可实现约10⁻² S cm⁻¹的高质子电导率，明显优于传统体系；在燃料电池中实现约82 mW cm⁻²的稳定功率输出。
意义
该工作突破了传统“随机离子分布限制传输”的瓶颈，通过纳米限域诱导离子空间有序化，实现了无水高温条件下*质子传导，为中温燃料电池提供了全新解决方案。更重要的是，这一研究提出了一个普适设计原则：通过调控纳米通道中的离子分布，而非单纯更换电解质，可以从根本上优化传输路径与相互作用。这一策略有望推广至离子液体、电解质以及其他电化学体系。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/gpeiIofgCwc9m6O4iJWrDQ
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