综述：金属有机框架（MOF）在直接甲醇燃料电池中的关键评述：膜与电催化剂性能增强

这篇综述系统评述了金属有机框架（MOF）在直接甲醇燃料电池（DMFC）中的双重作用：作为聚合物电解质膜（PEM）填料降低甲醇渗透率并提升质子传导性，以及作为电催化剂前驱体优化甲醇氧化反应（MOR）活性和CO耐受性。文章对比分析了MOF-聚合物复合膜与MOF衍生催化剂的性能指标（如电导率、选择性和功率密度），为下一代DMFC的多功能MOF设计提供了前瞻性指导。

　　

概述

直接甲醇燃料电池（DMFC）因其清洁、便携的特性成为电子设备和离网应用的理想能源解决方案，但甲醇穿透聚合物电解质膜（PEM）和阳极甲醇氧化反应（MOR）动力学缓慢两大技术瓶颈阻碍了其商业化进程。金属有机框架（MOF）凭借超高比表面积、可调孔隙结构和功能位点修饰能力，为突破这些限制提供了新思路。

金属有机框架

MOF是由金属节点与有机配体自组装形成的晶态多孔材料（图5），其结构可设计性允许精准调控质子传导路径和催化活性位点。例如，通过磺酸基功能化可增强质子跳跃（Grotthuss机制），而金属簇（如Pt₄
）的引入能提升MOR效率。

MOF基PEM在DMFC中的应用

传统Nafion膜因甲醇渗透率高和湿度依赖性制约DMFC性能。MOF作为填料可显著改善这一问题：

• 限域效应：ZIF-8的微孔（0.34 nm）可筛分甲醇分子（0.44 nm），使复合膜甲醇渗透率降低78%；
• 质子传导增强：UiO-66-SO₃
  H的磺酸基团形成连续质子传输通道，电导率达0.12 S/cm（80°C）；
• 稳定性优化：MIL-101(Cr)与SPEEK复合膜在1000小时运行后仍保持95%初始性能。

MOF基MOR电催化剂

MOF衍生催化剂通过以下策略提升性能：

• 合金化设计：PtFe@ZIF-8碳化后形成的PtFe合金使MOR质量活性提升3.2倍；
• 抗中毒结构：Pd@MIL-53(Al)的限域空间抑制CO_ads
  积累，过电位降低120 mV；
• 非贵金属替代：Co-N-C催化剂在碱性介质中表现出媲美Pt/C的活性。

挑战与展望

当前MOF基材料面临机械强度不足、规模化合成成本高等问题。未来需聚焦：

1. 开发自支撑MOF膜以消除聚合物基体依赖；
2. 构建双功能MOF同时优化PEM和催化剂性能；
3. 利用AI预测高稳定性MOF拓扑结构。

结语

MOF在DMFC中的创新应用正推动该技术向商业化迈进，但其实际部署仍需跨学科协作解决材料-器件集成难题。这一进展将为可持续能源转型提供关键技术支撑。