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08
2026
-
07
AFM: 多重限域协同，COF膜实现宽温宽湿质子传导
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背景
质子交换膜燃料电池作为清洁能源技术，其核心在于膜材料对质子传导能力与稳定性的平衡。传统低温质子膜依赖高湿环境维持导电性，而高温膜则通常在无水条件下运行，两者在实际应用中难以兼顾。尤其是在温度和湿度波动的真实工况下，膜材料往往面临性能衰减问题，其中磷酸等质子载体的流失是关键瓶颈。尽管提高温度和湿度可以增强质子传导，但也会加剧酸迁移与流失，从而削弱膜的长期稳定性。因此，如何在复杂环境中同时实现高导电性与强酸保持能力，成为新一代质子交换膜设计的核心挑战。
创新
近日，中科院长春应用化学研究所张所波、李胜海研究员团队基于二维共价有机框架（COF）构建了一类自支撑膜材料，通过在有序纳米通道中引入季铵基团，实现对磷酸分子的调控。进一步通过设计不同侧链结构（柔性与受限构型），构建“多重限域”体系：一方面，刚性骨架提供稳定的纳米通道；另一方面，季铵–磷酸之间的强离子对作用增强酸的固定能力，同时侧链运动受限进一步抑制酸与水分子的迁移。这种结构实现了纳米尺度限域与分子间相互作用的协同，使质子传导通道在高湿条件下仍保持稳定连续，同时有效避免传统膜中常见的酸流失问题。
意义
得益于这一多重限域设计，优化后的COF膜在100°C、90%湿度条件下仍可保持92.4%的磷酸含量，并实现超过500 mS cm⁻¹的高质子电导率，在40–120°C及20%–80%湿度范围内均表现出稳定的燃料电池性能（*高功率密度达0.82 W cm⁻²）。这一成果突破了质子交换膜在“高导电性–高稳定性–宽工况适应性”之间的长期制约，为燃料电池在复杂实际环境中的应用提供了关键材料基础。同时，多重限域调控理念也为设计新型离子传导材料提供了重要思路，可拓展至电解水、电化学分离等多个能源与环境领域。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/E8zKhmSESVKXatoA_SyPTg
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