磷酸摻雜聚苯并咪唑（PA-PBI）高溫質(zhì)子交換膜（HT-PEMs）作為高溫質(zhì)子交換膜燃料電池（HT-PEMFCs）的關(guān)鍵部件，目前研究和應(yīng)用最為廣泛，但其自身仍存在缺點。磷酸（PA）摻雜水平過高會導(dǎo)致力學(xué)強(qiáng)度不可避免地下降，要保證力學(xué)強(qiáng)度，PA摻雜水平就會降低，進(jìn)而導(dǎo)致質(zhì)子傳導(dǎo)率降低。利用功能性多孔芳香骨架材料（PAFs）對PA-PBI膜進(jìn)行復(fù)合改性是極有潛力的解決策略。其中，PAFs是一類由不可逆碳碳鍵連接芳香族單元構(gòu)成的應(yīng)用十分廣泛的多孔材料，具有穩(wěn)定的剛性骨架和高比表面積。
為了優(yōu)化PA-PBI高溫質(zhì)子交換膜的功率密度和PA保留率之間的平衡，東北師范大學(xué)呼微教授團(tuán)隊聯(lián)合中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所李南文研究員團(tuán)隊及福州大學(xué)張久俊院士團(tuán)隊，突破性地采用了季銨鹽（QA）功能化多孔芳香骨架（QPAF-225）與帶有側(cè)鏈磺酸基團(tuán)的磺化聚[2,2′-（對氧二苯基）-5,5′-雙苯并咪唑]（SOPBI）復(fù)合，成功協(xié)同構(gòu)建了綜合性能優(yōu)異的高性能復(fù)合HT-PEM。所設(shè)計制備的QPAF-225同時具有三嗪、羥基和季胺基團(tuán)，QPAF-225的孔道（孔徑1.41 nm）可以物理錨定PA分子；QPAF-225孔道骨架上的三嗪基團(tuán)與PA間的酸堿相互作用實現(xiàn)了對PA有效含控；羥基化氫鍵網(wǎng)絡(luò)及季銨基團(tuán)又提供了PA的靜電穩(wěn)定作用，分子水平的相互作用（酸堿配對、氫鍵和離子交聯(lián)）產(chǎn)生了有利的PA錨定位點，最終高效減少了PA流失，提高了HT-PEM的使用壽命和穩(wěn)定性；陽離子QA基團(tuán)和陰離子磺酸基團(tuán)之間的離子相互作用建立了自增強(qiáng)的高效質(zhì)子傳輸網(wǎng)絡(luò)，協(xié)同提高了HT-PEM的質(zhì)子傳導(dǎo)率和HT-PEMFC的功率密度。 其中，含10%的QPAF-225 的QPAF-225-10復(fù)合HT-PEM在200 ℃時具有174 mS cm-1的高質(zhì)子電導(dǎo)率和PA保留能力，以及適合長期應(yīng)用的高力學(xué)強(qiáng)度；在超低Pt/C負(fù)載（0.3 mg cm-2）下所組裝的HT-PEMFC峰值功率密度高達(dá)847 mW cm-2；同時，電池具有超低的電壓衰減率，200 ℃下904小時內(nèi)僅為0.04 mV h-1。該工作通過利用親PA的季胺化PAF構(gòu)建高效的質(zhì)子傳輸通道，提高了HT-PEMFC的綜合性能，為高功率密度和循環(huán)壽命及穩(wěn)定性的HT-PEMFC提供了新一代的高性能HT-PEMs。 該工作通過三個關(guān)鍵貢獻(xiàn)從根本上推進(jìn)了高性能HT-PEMs的研制，包括證明靜電錨定PA是一種有效的抗PA流失的策略；成功建立了功能化PAF增強(qiáng)復(fù)合HT-PEMs材料的微結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系；實現(xiàn)了同時提高質(zhì)子傳導(dǎo)率和耐久性。這些發(fā)現(xiàn)和進(jìn)展通過創(chuàng)新的PAFs材料結(jié)構(gòu)設(shè)計，為HT-PEMFC的研制和應(yīng)用提供了極為有益的選擇。 論文信息 Quaternized-PAF Architecture Mediated Proton Channels to Enhance Ultra-Robust Operation for 200 °C Proton Exchange Membrane Fuel Cells Xinyi Zong, Haina Mi, Fei Chen, Xianfeng Guan, Yuhan Liu, Prof. Dr. Wei Hu, Prof. Dr. Nanwen Li, Chunzhu Jiang, Prof. Dr. Yunfeng Lu, Guangshan Zhu, Prof. Wei Yan, Prof. Jiujun Zhang Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202509085
