科研动态

近日，汽车工程研究院师生在自然指数（Nature Index）选定期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上发表研究论文Superprotonic Conduction over Wide Humidity Range Driven by Enhanced Proton Dissociation。江苏大学为第一完成单位，汽车工程研究院教授张坤为第一和通讯作者，硕士生吴磊为共同第一作者。此外，合作者还包括我校能源研究院教授刘会园，中国科学技术大学教授王雨松、龚科，东南大学教授胡林峰，新加坡南洋理工大学吴冬霜团队。

质子交换膜作为一种关键的电解质材料，在燃料电池中扮演着至关重要的角色，其主要功能是高效传导质子并有效阻隔电子。然而，质子传导性能很大程度上受到质子解离过程的制约。为了解决这一问题，研究人员通常会引入低pKa 值的强酸基团（例如-SO₃H），来降低质子解离能。但在质子转移的实际过程中，影响质子解离能的除了固有的酸性基团，还包括H₃O+、C-F…H+等中间体，且这些中间体的解离能更高。因此，在开发高性能质子交换膜时，应尽量减少因中间体高解离能所导致的电导率损失，但这一问题常被忽视。

图1 质子交换膜的性能测试

图2 质子交换膜的波谱及理论计算分析

图3 质子交换膜的质子解离能和质子浓度计算

在此研究中，研究人员将羟丙甲磺酸引入到共价有机框架膜纳米孔内，并使其达到饱和状态，构筑了一种新型的质子交换膜。该膜材料在较宽的湿度范围内表现出超质子传导行为，所组装的燃料电池也实现了平稳运行。通过实验及理论计算证明，膜内的限域空间能够对水合程度进行有效调控，同时客体分子的甲基基团能够与质子产生C-H…H+斥力。这使得材料的质子解离能显著降低，自由质子浓度随之提高，最终导致优异的质子传导性质。该工作创新性地提出通过降低中间体的质子解离能来提升质子电导率的策略，所制备的质子交换膜性能优于商业膜，为新型质子导体的开发提供了新的思路。

该项研究工作得到国家自然科学青年基金、中国博士后基金、江苏大学高级人才启动基金等项目的资助。（汽车工程研究院）

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202421444

原文链接：https://jiangfan.ujs.edu.cn/xwnry.jsp?urltype=news.NewsContentUrl&wbtreeid=1085&wbnewsid=246955