基于开放框架的布朗斯特酸-路易斯碱界面促进燃料电池中的质子转移

《SCIENCE》：Open framework–based Br?nsted acid–Lewis base interfaces boost proton transfer in the fuel cells

　　

编者摘要

质子交换膜燃料电池能够高效地将氢气转化为电能，但催化剂层内缓慢的质子传输限制了其性能。Ma 等人通过将氮丰富的开放式框架纳米片与Nafion聚合物纳米薄膜整合，开发了复合离聚物，创建了受限制的Lewis酸碱界面，从而加速了质子运动。作者表明，这些界面降低了质子转移势垒，促进了界面水网络的快速重组，并在催化位点附近富集了质子。结果，质子电导率提高了六倍以上，燃料电池在低铂载量下实现了高功率密度。——Jack Huang

结构化摘要

引言

催化剂层内的有效质子传输对于最小化欧姆损耗、最大化质子交换膜燃料电池（PEMFC）中氢到电的转化效率以及铂（Pt）的利用率至关重要。在实际的催化剂层中，全氟磺酸离聚物（如Nafion）通过解离和水网络辅助的Grotthuss跳跃来介导质子传输；然而，纳米限域和催化剂-离聚物界面处改变后的聚集状态显著降低了它们的电导率，使其远不及体相膜。质子传输的这一内在局限性变得更加突出，因为相同的离聚物区域还必须同时容纳氧气和水传输，形成了耦合传输约束，最终限制了燃料电池的性能。

研究思路

为克服这一局限，我们将Lewis碱功能化的有机开放框架与Nafion整合，创建了受限制的Br?nsted酸-Lewis碱界面，实现了超越传统仅依靠酸基团范式的协同界面介导质子跳跃。这些界面创造了动态可交换的质子环境和低势垒中继通道，同时松开了界面氢键网络并富集了局部质子浓度。在运行电场下，它们进一步诱导形成低配位水链，加速水的取向重组和Grotthuss质子跳跃。结合其固有的高气体渗透率，该架构显著提高了质子电导率和燃料电池性能。

结果

¹H和²H脉冲场梯度核磁共振测量、动力学同位素效应测量、原位光谱分析以及互补的实验和计算研究共同证实了Br?nsted酸-Lewis碱界面加速了Grotthuss质子跳跃。这些复杂界面使质子自扩散系数增加了一个数量级，质子电导率提高了6.5倍，质子转移活化能相对于Nafion降低了55%。在膜电极组件（MEA）的催化剂层中作为离聚物与商业Pt/C催化剂（0.109 mg_Pt cm^?2）集成后，在H₂/空气条件下（50 kPa背压）于0.7 V时提供了0.75 ± 0.075 W cm^?2的输出，相当于Pt比输出功率6.9 kW g_Pt^?1，优于使用先进催化剂的最先进MEA。该方法在多孔碳基催化剂、烃类离聚物和不同铂载量下均提供了持续改进的额定性能，彰显了其稳健性和通用性。

结论

离聚物中工程化的Br?nsted酸-Lewis碱复合物克服了质子转移瓶颈，实现了高效和高铂利用率的PEMFC。超越传统对Br?nsted酸离聚物的依赖，本研究阐明了协同酸碱界面如何降低质子转移势垒并加速Grotthuss跳跃。由此产生的动态低势垒界面中继机制为调控离聚物和膜中耦合的质子-分子传输提供了可推广的蓝图，对电化学反应能源转换技术、多相催化以及仿生质量/信号传输架构具有广泛意义。

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Br?nsted酸-Lewis碱界面促进质子传输。

基于开放框架的Br?nsted酸-Lewis碱界面通过提供低势垒通道和减少水网络中的氢键数量，增强了PEMFC中的质子传导。

摘要

催化剂层内有限的质子电导率引发了严重的欧姆极化，限制了质子交换膜燃料电池在高氢到电转化效率下的功率输出。我们证明，通过将有机开放框架与Nafion整合构建Br?nsted酸-Lewis碱界面，可以增强质子转移。这些受限制的界面介导低势垒中继通道，破坏氢键以加速水网络重组，促进连续质子转移，并在局部富集质子。与Nafion相比，这些复合物表现出质子自扩散系数增加一个数量级、质子电导率提高6.5倍以及活化能降低55%。当与商业铂碳材料集成时，它们的额定功率输出相对于基准提高了四倍，在相似条件下优于具有代表性且使用先进催化剂的最先进膜电极组件。