新型吡啶基多孔有机聚合物复合高温质子交换膜：提升PA保留率与质子传导效率的创新设计

为解决高温质子交换膜(HT-PEM)中磷酸(PA)易流失和长期稳定性不足的问题，研究人员通过合成新型吡啶基多孔有机聚合物(Py-POP)并与商用聚苯并咪唑(OPBI)复合，制备了混合基质膜(MMMs)。该膜通过吡啶基团与PA的强相互作用，显著提升PA保留率(80°C/40% RH下达77.2%)和质子传导效率(180°C时达0.173 S cm-1)，单电池功率密度达915.1 mW cm-2，为HT-PEMFCs的实用化提供新策略。

　　

高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFCs)因其卓越的一氧化碳耐受性和简化热管理系统而备受关注，但其核心组件——高温质子交换膜(HT-PEMs)仍面临磷酸(PA)易流失和机械稳定性差的瓶颈。传统聚苯并咪唑(PBI)膜虽具有高温质子传导优势，但过量PA掺杂会导致膜溶胀和性能衰减。兰州大学化学化工学院应用有机化学国家重点实验室的研究团队创新性地设计了一种吡啶基多孔有机聚合物(Py-POP)，通过与商用OPBI复合制备混合基质膜，成功解决了这一难题。

研究团队采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、固态核磁共振(¹³C CP-MAS NMR)和氮气吸附-脱附测试等技术表征材料特性，通过溶液浇铸法制备复合膜，并系统测试了PA吸收率、质子传导率及单电池性能。密度泛函理论(DFT)计算揭示了吡啶基团与PA的强相互作用机制。

材料表征与制备

Py-POP通过希夫碱缩合反应合成，比表面积达21.3 m² g^-1，平均孔径1.4 nm，可有效容纳PA分子。复合膜呈现均匀致密结构，FT-IR证实吡啶特征峰(1665 cm^-1)成功引入。

性能突破

OPBI-Py-POP-10膜在180°C时质子传导率达0.173 S cm^-1，是纯OPBI膜的4.2倍。其PA保留率在80°C/40% RH和160°C/0% RH下分别达77.2%和80.1%，归因于吡啶的强锚定作用和孔隙限域效应。单电池测试显示，该膜在180°C时峰值功率密度达915.1 mW cm^-2，经80次循环后仍保持891.5 mW cm^-2。

机制解析

DFT计算表明，Py-POP与PA的结合能(-17.67 kcal mol^-1)显著高于无吡啶修饰的类似物(-14.50 kcal mol^-1)。吡啶基团与OPBI、PA形成的三维氢键网络，为质子跳跃传导(Grotthuss机制)构建了高效通道。

这项发表于《Materials Reports: Energy》的研究，通过分子设计实现了PA保留率与质子传导的协同提升，为开发长寿命HT-PEMFCs提供了新材料体系。其创新点在于：① 吡啶基团精准调控PA分子动态平衡；② 多孔结构抑制膜溶胀；③ 复合策略兼顾机械强度与传导性能。该工作对推进燃料电池商业化具有重要指导意义。