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11
2026
-
09
Science: 不再只靠“强酸”传质子，Brønsted酸–Lewis碱接力界面加速燃料电池质子传输
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背景
质子交换膜燃料电池（PEMFC）的性能提升通常聚焦于开发更高活性的Pt基催化剂，但在实际膜电极中，尤其是追求高氢电转化效率和低Pt负载时，催化层内部的质子传输同样可能成为限制功率输出的重要瓶颈。催化层中的Nafion不仅负责粘结催化剂，还需要将质子持续输送至反应活性位点，但受限于纳米尺度聚集状态，其质子传导能力明显低于体相Nafion膜。传统离聚物设计基本遵循“酸提供质子、酸性位点越合理越有利于传导”的思路，通过增加酸基团密度、增强酸性或优化磺酸基空间分布改善质子迁移。然而，质子传输并不只是质子的产生问题，还取决于质子如何在酸性位点、水分子和局部氢键网络之间快速连续迁移。生物质子泵提供了另一种启示：酸性和碱性位点可以协同构筑动态质子接力网络。因此，如何突破传统“acid-only ionomer”的设计范式，通过重新设计催化层微环境进一步降低质子迁移能垒，成为提高效率工作区间燃料电池性能的新方向。
创新
近日，北京理工大学王博、冯霄教授团队将含Lewis碱位点的二维开放框架TTF和azine-COF纳米片引入Nafion，在催化层内部构筑受限的Brønsted酸–Lewis碱界面。这里的开放框架并非简单作为亲水填料增加含水量，而是直接参与质子的连续传递：Lewis碱位点与Nafion磺酸基形成动态可交换的酸–碱微环境，促进–SO₃H解离，并建立“磺酸根–Lewis碱–水”多步质子接力路径，从而降低质子跳跃所需的能垒。与此同时，开放框架界面削弱部分水–水氢键，使局域水网络不再过度稳定，能够更快速地断裂和重组，为连续Grotthuss质子跳跃创造条件；Lewis碱位点还能够吸引周围质子，提高催化界面的局部质子浓度。也就是说，该体系同时调控了“质子从哪里来、沿什么路径走以及水网络如何配合重构”三个环节。最终，复合离聚物的质子自扩散系数相比Nafion提高约一个数量级，质子电导率提升6.5倍，活化能降低55%。采用商业Pt/C且总Pt负载仅约0.1 mgPt cm⁻²时，H₂/air燃料电池在0.7 V即可达到约0.75 W cm⁻²，峰值功率密度约1.25 W cm⁻²；当Pt负载提高至0.211 mgPt cm⁻²后，0.7 V下额定功率密度进一步达到1.12 W cm⁻²。
意义
这项工作的核心意义在于，它将燃料电池离聚物设计从“增加质子供体”推进到了“设计质子传递接力网络”。传统策略主要围绕磺酸基数量、酸性和空间分布展开，本质上是在优化质子的来源；而这项研究进一步指出，*质子传导还需要同时设计Lewis碱受体、界面水结构以及相邻传递位点之间的动态耦合。Brønsted酸负责提供质子，Lewis碱位点承担中间接力和局域富集作用，而具有较低氢键连接度、能够快速重构的水分子网络则为连续质子跳跃提供动态桥梁，由此形成“酸–碱协同→水网络重构→低能垒接力→局域质子富集→快速界面传输”的机制链条。更重要的是，这种策略并没有依赖更高活性的先进Pt合金来提升器件性能，而是通过解决催化层内部此前容易被忽视的质子传输瓶颈，提高现有商业Pt的利用效率和高电压区功率输出。因此，这项工作也意味着PEMFC性能优化可以从“催化剂活性竞争”进一步拓展到“催化层传输微环境设计”：未来离聚物不应只是具有高电导率的粘结剂，而可以成为主动组织质子、水和催化界面相互作用的功能材料。这种酸–碱协同的质子接力思想也有望延伸至其他涉及快速质子耦合传输的电化学、催化和能源转换体系。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/QI-X7hqMQxVXaURmkLCTvw
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