氫燃料電池因為清潔無污染和高能量轉換效率的優(yōu)點而受到廣泛關注。膜電極(MEA)作為質子交換膜燃料電池(PEMFCs)的關鍵部件，對質子交換膜燃料電池的性能起著決定性作用。在膜電極組件（MEA）的催化劑層（CL）中，ORR發(fā)生在氧-水-催化劑的三相界面上。離聚物是質子交換膜和Pt催化劑中質子電流位點之間的質子導電連接，在PEMFCs中主導著三相微環(huán)境。目前，全氟磺酸聚合物（PFSA，或Nafion）是應用最廣泛的離聚物。然而，PFSA使用在燃料電池中存在鉑催化劑利用率低、反應速度慢等問題。

    近日，北京理工大學王博、馮霄帶領的研究團隊在《Science》期刊發(fā)表的題為“Covalent organic framework-based porous ionomers for high-performance fuel cells”的成果中設計了一種將磺酸功能化的DhaTab-COF(SDT-COF)作為復合離聚物加入到Nafion中作為燃料電池催化層來改善燃料電池的性能，結果證明，這種多孔材料可以促進三相界面的ORR，提高Pt的利用率，實現(xiàn)了低Pt負載的PEMFCs的高功率密度。

    作者以單體2,5-二羥基對苯二甲醛（Dha）和1,3,5-三（4-氨基苯基）苯（Tab）為原料合成了DhaTab-COF（RDT-COF），將丙磺酸鈉鹽接枝到RDT-COF的孔壁上，然后進行酸化，得到了SDT-COF，優(yōu)化了離聚體，從而定制三相微環(huán)境。COF的六邊形孔改善了氣體傳輸，固定在孔壁上的磺酸基團減少了與鉑的結合，從而抑制了其活性。2.8至4.1納米的介孔孔徑和附加的磺酸鹽基團能夠實現(xiàn)質子轉移并促進氧氣滲透。Pt的質量活度和含Pt/Vulcan的燃料電池的峰值功率密度（陰極中每平方厘米0.07 mg Pt）均達到無COF時的1.6倍。該策略適用于不同鉑負載量和不同商用催化劑的催化劑層。

圖2. 燃料電池性能和耐用性

    眾所周知，質子交換膜含水率對質子傳導能力有較大影響，同時也會影響氧氣在質子交換膜中溶解擴散。作者通過測量質子交換膜的動態(tài)水蒸氣吸附等溫線及吸附動力學性能（BSD-DVS 多站重量法氣體蒸氣吸附儀，原型號 3H-2000PW）研究了SDT-COF膜的吸濕性能。與Nafion相比，SDT-COF膜的動態(tài)吸水能力遠遠低于Nafion膜的吸水能力。說明在燃料電池工作過程中，質子傳輸通道只有部分會被水分子占據(jù)，氧氣能夠穿透剩余的空間。作者還在30% RH和60% RH條件下進行了燃料電池性能測試，結果證明，隨著濕度的降低，加入SDT-COF后，電池性能的降低程度逐漸降低。