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商用质子交换膜燃料电池（PEMFCs）阴极的氧还原反应（ORR）由贵金属催化，贵金属通常是铂（Pt）基材料。减少PEMFCs的Pt负载，同时保持高功率密度和耐用性，仍然具有挑战性。虽然通过合金化和纳米结构策略制备了新的催化剂，但它们的性能通常通过旋转圆盘电极（RDE）技术进行评估，并且很难转化为膜电极。在膜电极组件（MEA）的催化剂层（CL）中，ORR发生在氧-水-催化剂三相界面。要发生反应，氧气必须穿过几个纳米的离聚物成分，并遇到巨大的传质阻力。因此，优化三相微环境对于最大限度地提高PEMFC中催化剂的活性至关重要。

离聚物是质子交换膜和铂催化位点之间的质子导电链，是PEMFCs中三相微环境的主要组成部分。目前，全氟磺酸聚合物（PFSA或Nafion）是使用最广泛的离聚物。然而，PFSA不可避免地被紧紧地覆盖在催化剂上，这会导致高气体扩散阻力。离聚物和水的扩散阻力占总气体阻力的80%，其余主要来自次生孔隙，次生孔隙是指存在于团聚体之间的>20 nm的孔隙。此外，Nafion中的-SO₃H基团可以强烈吸附和占据Pt表面的活性位点，这可以降低Pt活性，从而降低相应的质量活性（MA）和功率密度。

近日，北京理工大学王博教授和冯霄教授（共同通讯作者）等人在Science上发表成果Covalent organic framework–based porous ionomers for high-performance fuel cells，将基于共价有机框架（COF）的多孔离聚物应用于燃料电池中，实现了电池性能的突破。

在这里，作者通过将磺酸功能化的DhaTab-COF（SDT-COF）引入Nafion（相应的CL表示为Pt/C@SDT-Nafion）作为复合离聚物，制造了具有商用Pt/C（Pt/Vulcan）的高性能燃料电池（图1）。SDT-COF具有由分子构建单元划分的固有六边形纳米孔，这使CL具有更好的气体传输能力。连接到孔壁的-SO₃H基团确保了通道内质子的快速传导，而Nafion有助于降低COF纳米片之间的界面阻抗。SDT-COF的刚性和高孔隙度也有助于削弱-SO₃H基团在Pt上的吸附。

通过对不同孔径的其他COF以及其他刚性磺化材料进行对照实验，证明了该COF的特殊性能。在CL中添加具有介孔孔径的COF促进了三相界面的ORR，并改进了Pt的使用，以实现低Pt负载PEMFC的高功率密度。使用Pt/Vulcan的燃料电池中，Pt的质量活性和峰值功率密度(阴极中每平方厘米含0.07 mg Pt)均达到无COF燃料电池的1.6倍。该策略可应用于不同Pt负载和不同商业催化剂的催化剂层。

图1. Pt/C@COF-Nafion的结构

图2. SDT-COF的结构表征

图3. 燃料电池性能和耐用性

图4. 传质性能对比