Недавно совместная команда под руководством профессоров Лю Байлина, Ли Янгуана и Цзан Хуньин из Северо-Восточного нормального университета и Чанчуньского университета науки и технологий опубликовала значительные результаты исследований в международном ведущем журнале Angewandte Chemie International Edition. В исследовании синтезированы протонные проводники на основе супрамолекулярных кластеров BPN с помощью стратегии водной самоассамблеи, достигнуто сочетание «высокой проводимости — низкой энергии активации — высокой стабильности», что предоставляет модульный новый подход для разработки ключевых материалов следующего поколения для PEMFC.
Протонные проводники являются «основной структурой» PEMFC, и их характеристики напрямую определяют энергоэффективность и срок службы батареи. Текущие исследования имеют два основных ограничения: во-первых, они не учитывают микрогетерогенность локального транспорта протонов, что затрудняет оптимизацию пути проведения на молекулярном уровне; во-вторых, традиционные материалы не могут сбалансировать «три характеристики», при этом протонные проводники на основе MOF чувствительны к влажности, а протонные каналы ионных омер-систем ограничены фазовым разделением. Команда решила два ключевых научных вопроса: «как построить программируемые пути транспорта протонов и скоординировать множественные характеристики» и «как выявить динамические различия в локальном транспорте протонов».
Новшество данного исследования заключается в первом в истории сочетании кластеров оксида висмута [Bi₆O₅(OH)₃]⁵⁺ и полиоксометалатов (POM) [PW₁₂O₄₀]³⁻ посредством водной самоассамблеи, формирующих супрамолекулярные кластерные материалы BPN (химическая формула: [Bi₆O₅(OH)₃]₂.₂₄[PW₁₂O₄₀][NO₃]₂.₄[H₃O]₅.₈). Эта конструкция использует синергетический эффект «кластеров оксида висмута, повышающих подвижность протонов + POM, стабилизирующих переходное состояние передачи», в сочетании с динамической сетью водородных связей, чтобы преодолеть ограничения характеристик традиционных однородных материалов.
Основные результаты исследования выделяют три крупных прорыва: с точки зрения структурных характеристик BPN формирует иерархически упорядоченную структуру посредством «зарядово-ассистированных водородных связей + электростатической комплементарности». МД-симуляции показывают, что кластеры оксида висмута расположены вокруг POM в кубической гране-центрированной структуре, аналогичной укладке кристаллов флюорита, при этом XAS и ЯМР подтверждают смешанное валентное состояние W⁵⁺/W⁶⁺ и сильные водородные связи. В плане производительности, при 90°С и 97％ относительной влажности протонная проводимость достигает 0,12 С·см⁻¹, что сопоставимо с коммерческими мембранами Nafion, а при 25°С составляет 5,6×10⁻³ С·см⁻¹. Показатели остаются стабильными после 72 часов непрерывной работы, с энергией активации всего 0,19 эВ, при этом материал устойчив к сильным кислотам, окислению и высоким температурам, без утечки ПОМ после вымачивания в воде в течение 1,680 часов. В применении, МПТЭ, собранный с композитной мембраной BPN-Nafion, в условиях 80°С и 1 М метанола демонстрирует напряжение холостого хода 0,82 В и максимальную плотность мощности 86 мВт·см⁻², что на 59,3％ выше, чем у чистых мембран Nafion.
Исследования механизма показывают, что участки Bi-O служат «быстрыми каналами» для протонов, а введение ПОМ снижает энергетический барьер переноса протонов с 1,66 эВ до 0,14 эВ, с оптимальной эффективностью передачи при достижении количества адсорбированных молекул воды 6,1％ по массе. Предложенная исследованием стратегия дизайна «единица неорганического кластера + динамическая сеть водородных связей» не только раскрывает механизм гетерогенности переноса протонов на локальных участках, но и обеспечивает ключевую материальную поддержку для устройств чистой энергии в таких сценариях, как портативная электроника и дроны, способствуя развитию ПТТЭ в направлении большей эффективности, долговечности и снижения стоимости.
