Recientemente， un equipo colaborativo dirigido por los profesores Liu Bailin， Li Yangguang y Zang Hongying de la Universidad Normal del Noreste y la Universidad de Ciencia y Tecnología de Changchun publicó hallazgos de investigación significativos en la revista internacional de primer nivel Angewandte Chemie International Edition． El estudio sintetizó conductores de protones de clúster supramolecular BPN mediante una estrategia de autoensamblaje acuoso， logrando una sinergia de "alta conductividad－baja energía de activación－alta estabilidad"， proporcionando un nuevo enfoque modular para el diseño de materiales clave de próxima generación para PEMFC．
Los conductores de protones son el "esqueleto central" de las PEMFC， y su rendimiento determina directamente la eficiencia de conversión de energía y la vida útil de la batería． La investigación actual tiene dos limitaciones principales： primero， pasa por alto la microheterogeneidad del transporte local de protones， lo que dificulta optimizar la ruta de conducción a nivel molecular； segundo， los materiales tradicionales no pueden equilibrar las "tres características"， ya que los conductores de protones basados en MOF son muy sensibles a la humedad y los sistemas de omeros iónicos tienen canales de protones limitados por la separación de fases． El equipo abordó dos cuestiones científicas clave： "cómo construir rutas de transporte de protones programables y coordinar múltiples rendimientos" y "cómo revelar las diferencias dinámicas en el transporte local de protones en sitios específicos"．
La innovación de esta investigación radica en la combinación por primera vez de clústeres de óxido de bismuto [Bi₆O₅（OH）₃]⁵⁺ y polioxometalatos （POM） [PW₁₂O₄₀]³⁻ mediante autoensamblaje acuoso， formando materiales de clúster supramolecular BPN （fórmula química： [Bi₆O₅（OH）₃]₂．₂₄[PW₁₂O₄₀][NO₃]₂．₄[H₃O]₅．₈）． Este diseño utiliza el efecto sinérgico de "los clústeres de óxido de bismuto mejoran la movilidad de los protones ＋ los POM estabilizan el estado de transición de la transmisión"， combinado con una red dinámica de enlaces de hidrógeno， para superar las limitaciones de rendimiento de los materiales homogéneos tradicionales．
Los resultados centrales de la investigación destacan tres grandes avances： En cuanto a las características estructurales， el BPN forma una estructura jerárquicamente ordenada mediante "enlaces de hidrógeno asistidos por carga ＋ complementariedad electrostática"． Las simulaciones de dinámica molecular muestran que los clústeres de óxido de bismuto se organizan alrededor de los POM en modo cúbico centrado en las caras， similar al apilamiento de cristales de fluorita， con XAS y NMR verificando el estado de valencia mixto de W⁵⁺／W⁶⁺ y fuertes enlaces de hidrógeno．En cuanto al rendimiento, a 90 °C y 97 % de humedad relativa, la conductividad protónica alcanza 0,12 S·cm⁻¹, comparable a las membranas comerciales de Nafion, y a 25 °C es de 5,6 × 10⁻³ S·cm⁻¹. El rendimiento se mantiene estable tras 72 horas de funcionamiento continuo, con una energía de activación tan baja como 0,19 eV, y puede soportar ácidos fuertes, oxidación y altas temperaturas, sin fugas de POM después de 1 680 horas de inmersión en agua. En cuanto a la aplicación, una pila de combustible de metanol directo (DMFC) ensamblada con una membrana compuesta BPN-Nafion, en condiciones de 80 °C y 1 M de metanol, alcanza un voltaje de circuito abierto de 0,82 V y una densidad de potencia máxima de 86 mW·cm⁻², lo que representa una mejora del 59,3 % respecto a las membranas de Nafion puras.
Los estudios de mecanismo revelan que los sitios Bi-O actúan como "canales rápidos" para los protones, y la introducción de POM reduce la barrera energética de transferencia protónica de 1,66 eV a 0,14 eV, con la eficiencia de transmisión óptima cuando la cantidad de adsorción de moléculas de agua alcanza el 6,1 % en peso. La estrategia de diseño de "unidad de clúster inorgánico + red dinámica de enlaces de hidrógeno" propuesta por el estudio no solo revela el mecanismo de heterogeneidad en el transporte protónico en sitios locales, sino que también proporciona un apoyo material clave para dispositivos de energía limpia en escenarios como electrónica portátil y drones, promoviendo el desarrollo de las pilas de combustible de membrana de intercambio protónico (PEMFC) hacia una mayor eficiencia, mayor vida útil y menor costo.
