최근, 둥베이 사범대학과 장춘 이공대학의 류바이린, 리양광, 장홍잉 교수팀이 국제 저명 학술지 Angewandte Chemie International Edition에 중요한 연구 성과를 발표했습니다. 이 연구는 수계 자기조립 전략을 통해 BPN 초분자 클러스터 양성자 전도체를 합성하여, “높은 전도도-낮은 활성화 에너지-강한 안정성”의 시너지를 달성했으며, 차세대 PEMFC 핵심 소재 설계를 위한 모듈화된 새로운 접근법을 제시했습니다.
양성자 전도체는 PEMFC의 “핵심 골격”으로, 그 성능이 전지의 에너지 변환 효율과 수명을 직접 결정합니다. 현재 연구에는 두 가지 주요 한계가 있습니다. 첫째, 국소 양성자 수송의 미세 불균일성을 간과하여 분자 수준에서 전도 경로를 최적화하기 어렵습니다. 둘째, 기존 소재는 “세 가지 성능” 간 균형을 이루지 못하며, MOF 기반 양성자 전도체는 습도에 매우 민감하고 이오노머 시스템의 양성자 채널은 상분리에 의해 제약받습니다. 연구팀은 두 가지 핵심 과학적 질문, 즉 “프로그래밍 가능한 양성자 수송 경로를 구축하고 여러 성능을 조율하는 방법”과 “국소 사이트에서 양성자 수송의 동적 차이를 밝히는 방법”을 해결하고자 했습니다.
이 연구의 혁신은 수계 자기조립을 통해 [Bi₆O₅(OH)₃]⁵⁺ 비스무트 산화물 클러스터와 [PW₁₂O₄₀]³⁻ 폴리옥소메탈레이트(POM)를 최초로 결합하여 BPN 초분자 클러스터 소재(화학식: [Bi₆O₅(OH)₃]₂.₂₄[PW₁₂O₄₀][NO₃]₂.₄[H₃O]₅.₈)를 형성한 데 있습니다. 이 설계는 “비스무트 산화물 클러스터의 양성자 이동도 향상 + POM의 전이 상태 안정화”라는 시너지 효과와 동적 수소 결합 네트워크를 활용하여 기존 균일계 소재의 성능 한계를 극복합니다.
핵심 연구 결과는 세 가지 주요 돌파구를 부각합니다. 구조적 특성 측면에서, BPN은 “전하 보조 수소 결합 + 정전기적 상보성”을 통해 계층적으로 정렬된 구조를 형성합니다. MD 시뮬레이션은 비스무트 산화물 클러스터가 형석 결정 적층과 유사하게 면심 입방 배열로 POM 주위에 배치됨을 보여주며, XAS와 NMR은 W⁵⁺/W⁶⁺의 혼합 원자가 상태와 강한 수소 결합을 확인했습니다. 성능 측면에서, 90°C, 97% 상대습도 조건에서 양성자 전도도는 0.12 S·cm⁻¹에 도달하여 상용 Nafion 막과 견줄 만하며, 25°C에서는 5.6×10⁻³ S·cm⁻¹입니다. 72시간 연속 작동 후에도 성능이 안정적으로 유지되며, 활성화 에너지는 0.19 eV로 낮고, 강산, 산화 및 고온에 견딜 수 있으며, 1,680시간 물에 담근 후에도 POM 누출이 없습니다. 응용 측면에서, BPN-Nafion 복합막으로 조립된 DMFC는 80°C, 1 M 메탄올 조건에서 개방 회로 전압 0.82 V, 최대 전력 밀도 86 mW·cm⁻²를 달성하여 순수 Nafion 막 대비 59.3% 향상된 성능을 보였습니다.
메커니즘 연구는 Bi-O 사이트가 양성자의 “빠른 채널” 역할을 하며, POM 도입으로 양성자 전달 에너지 장벽이 1.66 eV에서 0.14 eV로 감소하고, 물 분자 흡착량이 6.1 wt%일 때 최적의 전달 효율을 보인다는 것을 밝혔습니다. 이 연구에서 제안한 “무기 클러스터 단위 + 동적 수소 결합 네트워크” 설계 전략은 국소 사이트 양성자 수송의 불균일성 메커니즘을 밝힐 뿐만 아니라, 휴대용 전자기기, 드론 등의 시나리오에서 청정 에너지 장치를 위한 핵심 소재 지원을 제공하여 PEMFC의 고효율, 장수명, 저비용 발전을 촉진합니다.
