Recentemente, uma equipe colaborativa liderada pelos Professores Liu Bailin, Li Yangguang e Zang Hongying da Universidade Normal do Nordeste e da Universidade de Ciência e Tecnologia de Changchun publicou descobertas significativas de pesquisa na principal revista internacional Angewandte Chemie International Edition. O estudo sintetizou condutores de prótons de cluster supramolecular BPN por meio de uma estratégia de automontagem em meio aquoso, alcançando uma sinergia de "alta condutividade-baixa energia de ativação-alta estabilidade", fornecendo uma nova abordagem modular para o design de materiais-chave da próxima geração de PEMFC.
Condutores de prótons são a "estrutura central" das PEMFCs, e seu desempenho determina diretamente a eficiência de conversão de energia e a vida útil da bateria. A pesquisa atual tem duas grandes limitações: primeiro, negligencia a microheterogeneidade do transporte local de prótons, tornando difícil otimizar o caminho de condução em nível molecular; segundo, os materiais tradicionais não conseguem equilibrar as "três performances", com condutores de prótons baseados em MOF sendo altamente sensíveis à umidade e os sistemas de omer iônico tendo seus canais de prótons restringidos pela separação de fases. A equipe abordou duas questões científicas-chave: "como construir caminhos de transporte de prótons programáveis e coordenar múltiplas performances" e "como revelar as diferenças dinâmicas no transporte local de prótons no sítio".
A inovação desta pesquisa reside na combinação, pela primeira vez, de clusters de óxido de bismuto [Bi₆O₅(OH)₃]⁵⁺ e poli-oxometalatos (POM) [PW₁₂O₄₀]³⁻ por meio de automontagem aquosa, formando materiais de cluster supramolecular BPN (fórmula química: [Bi₆O₅(OH)₃]₂.₂₄[PW₁₂O₄₀][NO₃]₂.₄[H₃O]₅.₈). Este projeto utiliza o efeito sinérgico de "clusters de óxido de bismuto aumentando a mobilidade dos prótons + POM estabilizando o estado de transição de transmissão", aliado a uma rede dinâmica de ligações de hidrogênio, para superar as limitações de desempenho dos materiais homogêneos tradicionais.
Os principais resultados da pesquisa destacam três grandes avanços: Em termos de características estruturais, o BPN forma uma estrutura hierarquicamente ordenada através de "ligação de hidrogênio assistida por carga + complementaridade eletrostática". Simulações de MD mostram que os clusters de óxido de bismuto estão dispostos em torno do POM em modo cúbico de faces centradas, semelhante ao empilhamento cristalino de fluorita, com XAS e NMR verificando o estado de valência mista de W⁵⁺/W⁶⁺ e fortes ligações de hidrogênio. Em termos de desempenho, a 90°C e 97% de umidade relativa, a condutividade protônica atinge 0,12 S·cm⁻¹, comparável às membranas comerciais de Nafion, e a 25°C, é de 5,6×10⁻³ S·cm⁻¹. O desempenho mantém-se estável após 72 horas de operação contínua, com uma energia de ativação tão baixa quanto 0,19 eV, e pode suportar ácidos fortes, oxidação e altas temperaturas, sem vazamento de POM após imersão em água por 1.680 horas. Em termos de aplicação, uma DMFC montada com uma membrana composta BPN-Nafion, sob condições de 80°C e 1 M de metanol, atinge uma tensão de circuito aberto de 0,82 V e uma densidade de potência máxima de 86 mW·cm⁻², representando uma melhoria de 59,3% em relação às membranas de Nafion puras.
Estudos de mecanismo revelam que os sítios de Bi-O funcionam como "canais rápidos" para prótons, e a introdução de POM reduz a barreira de energia de transferência protônica de 1,66 eV para 0,14 eV, com a eficiência de transmissão ideal quando a quantidade de adsorção de moléculas de água atinge 6,1% em peso. A estratégia de design "unidade de cluster inorgânico + rede dinâmica de ligação de hidrogênio" proposta pelo estudo não apenas revela o mecanismo de heterogeneidade do transporte local de prótons, mas também fornece suporte material chave para dispositivos de energia limpa em cenários como eletrônicos portáteis e drones, promovendo o desenvolvimento de PEMFC em direção a maior eficiência, maior vida útil e menor custo.
