磺化共价有机框架纳米片增强Nafion膜质子传导性能的研究

为解决Nafion基质子交换膜(PEMs)在燃料电池中质子传导效率低、环境依赖性强的难题，研究人员通过引入磺化共价有机框架(COF)纳米片(NUS-9)，构建了具有有序纳米通道和丰富-SO3H基团的复合膜。该膜质子传导率显著提升80%，功率密度达1.024 W/cm2，同时兼具优异机械稳定性，为高性能质子交换膜燃料电池(PEMFCs)开发提供新策略。

　　

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)作为清洁能源技术代表，其核心组件质子交换膜(PEMs)的性能直接决定电池效率。目前商用Nafion膜虽具有化学稳定性优势，但存在质子传导依赖湿度、水通道网络曲折等瓶颈。传统改性方法如添加TiO₂、碳纳米管等填料虽能改善性能，却难以实现质子通道的有序化。针对这一挑战，武汉大学团队创新性地将磺化共价有机框架(COF)纳米片NUS-9引入Nafion基质，相关成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》。

研究采用界面合成法制备NUS-9纳米片，通过溶液浇铸工艺构建复合膜。关键实验技术包括：1) 能量色散X射线光谱(EDS)分析元素组成；2) 原子力显微镜(AFM)表征纳米片形貌；3) 电化学阻抗谱测定质子传导率；4) 膜电极组件(MEA)单电池性能测试。

【材料表征】
NUS-9纳米片尺寸超10μm，FTIR证实其成功合成：Tp单体的C=O键(1644 cm^?1)和Pa-SO₃H的N-H键(3300-3500 cm^?1)特征峰消失，出现亚胺键特征峰。EDS显示仅含C/N/O/S元素，硫元素占比验证磺酸基团富集。

【膜性能分析】
0.5 wt% NUS-9/Nafion复合膜展现三大突破：1) 质子传导率提升80%，归因于纳米片有序通道促进Grotthuss机制质子跳跃；2) 纳米片与Nafion侧链强相互作用使断裂伸长率提高47%；3) 80°C下功率密度达1.024 W/cm²，远超纯Nafion膜(0.568 W/cm²)。

【作用机制】
NUS-9通过三重效应优化性能：1) 抑制Nafion再结晶，扩大非晶区促进水分子扩散；2) 磺酸基团(-SO₃H)构建质子"高速公路"；3) 纳米片定向排列降低水通道曲折度，小角X射线散射(SAXS)证实离子簇尺寸从3.1 nm增至4.6 nm。

该研究开创性地将COFs材料应用于PEMs改性，其意义在于：1) 提出"有序纳米通道+高密度磺酸基团"协同增效新策略；2) 复合膜在低湿度下仍保持高传导率，突破环境限制；3) 为下一代燃料电池膜材料设计提供普适性方法。Chunqing He团队指出，未来可通过调控COFs孔道尺寸进一步优化质子传输动力学。