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質(zhì)子傳導(dǎo)材料新里程碑！東北師大/長春理工團(tuán)隊(duì)開發(fā)POM基超分子組裝體，為高效燃料電池破局

文章來源：新能源網(wǎng) 更新時(shí)間：2025-11-11 16:25:33

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）是清潔能源轉(zhuǎn)換的核心裝置，其性能瓶頸長期受限于質(zhì)子導(dǎo)體的傳輸效率與穩(wěn)定性。近日，劉百玲教授、李陽光教授、臧宏瑛教授等東北師范大學(xué)和長春理工大學(xué)合作團(tuán)隊(duì)，在國際頂刊《Angewandte Chemie International Edition》發(fā)表題為Structural Effects in Polyoxometalate‐Based Supramolecular Assemblies for Enhanced Proton Conduction的研究論文。該團(tuán)隊(duì)通過水相自組裝策略合成BPN超分子簇質(zhì)子導(dǎo)體，實(shí)現(xiàn)了“高傳導(dǎo)率-低活化能-強(qiáng)穩(wěn)定性”的協(xié)同，為下一代PEMFC關(guān)鍵材料設(shè)計(jì)提供了模塊化新路徑。

一、文獻(xiàn)背景（分點(diǎn)解析）

1. 研究意義

質(zhì)子導(dǎo)體是PEMFC的“核心骨架”，其電荷輔助氫鍵網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)度直接決定電池的能量轉(zhuǎn)換效率與服役壽命。開發(fā)兼具高質(zhì)子傳導(dǎo)率、低傳輸能壘與寬環(huán)境耐受性的質(zhì)子導(dǎo)體，是推動PEMFC向便攜式電子設(shè)備、小型分布式電源等場景實(shí)用化的關(guān)鍵，對實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要支撐作用。

2. 研究現(xiàn)狀

當(dāng)前質(zhì)子導(dǎo)體研究存在兩大核心局限：①多數(shù)研究僅關(guān)注材料整體離子傳導(dǎo)率，忽略局部質(zhì)子傳輸?shù)奈⒂^異質(zhì)性（如不同吸附位點(diǎn)的遷移速率差異），導(dǎo)致無法從分子層面優(yōu)化傳導(dǎo)路徑；②傳統(tǒng)材料難以平衡“三性能”——MOF基質(zhì)子導(dǎo)體濕度敏感性強(qiáng)、離子omer體系質(zhì)子通道因相分離受濕度制約，均無法同時(shí)滿足高傳導(dǎo)率、低活化能與長期穩(wěn)定性的需求。

3. 科學(xué)問題

如何通過分子級結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，構(gòu)建具有可編程質(zhì)子傳輸路徑的質(zhì)子導(dǎo)體，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高傳導(dǎo)率、低活化能與優(yōu)異環(huán)境穩(wěn)定性的協(xié)同？如何揭示超分子組裝體中局部位點(diǎn)質(zhì)子傳輸?shù)膭討B(tài)差異，為材料設(shè)計(jì)提供明確的機(jī)制支撐？

4. 研究創(chuàng)新

首次通過水相自組裝策略，將[Bi?O?(OH)?]??鉍氧簇與[PW??O??]³?多金屬氧酸鹽（POM）結(jié)合，形成BPN超分子簇材料（化學(xué)式：[Bi?O?(OH)?]?.??[PW??O??][NO?]?.?[H?O]?.?）。該設(shè)計(jì)利用“鉍氧簇提升質(zhì)子遷移率+POM穩(wěn)定傳輸過渡態(tài)”的協(xié)同作用，搭配動態(tài)氫鍵網(wǎng)絡(luò)，突破了傳統(tǒng)均質(zhì)材料的性能局限。

二、實(shí)驗(yàn)部分

1. 材料合成

通過鉍硝酸鹽水解（pH=1-3）制備質(zhì)子化鉍氧簇[Bi?O?(OH)?]??，再與[PW??O??]³?（HPW）通過電荷輔助氫鍵自組裝，生成BPN超分子簇；

2. 結(jié)構(gòu)與機(jī)制表征

采用分子動力學(xué)（MD）模擬分析自組裝過程與質(zhì)子傳輸路徑，密度泛函理論（DFT）計(jì)算質(zhì)子轉(zhuǎn)移能壘；通過¹H魔角旋轉(zhuǎn)核磁共振（¹H MAS NMR）解析質(zhì)子動態(tài)行為，X射線吸收光譜（XAS）表征W的價(jià)態(tài)與配位環(huán)境，結(jié)合FT-IR、Raman、HRTEM/STEM驗(yàn)證超分子結(jié)構(gòu)；

3. 性能測試

電化學(xué)阻抗法測試不同溫度（25-90℃）、濕度（45%-97% RH）下的質(zhì)子傳導(dǎo)率；循環(huán)伏安法（CV）評估抗氧化穩(wěn)定性；制備BPN-Nafion復(fù)合膜，在80℃、1 M甲醇工況下測試直接甲醇燃料電池（DMFC）的開路電壓（OCV）與功率密度。

三、核心研究結(jié)果

（一）關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征：超分子組裝的層級有序性

BPN通過“電荷輔助氫鍵+靜電互補(bǔ)”形成穩(wěn)定的層級結(jié)構(gòu)，為質(zhì)子傳輸提供連續(xù)通道。MD模擬顯示，鉍氧簇以面心立方模式圍繞POM排列（類似螢石（CaF?）晶體堆積），硝酸根離子維持體系電荷中性，確保結(jié)構(gòu)熱力學(xué)穩(wěn)定。

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