多站重量法气体蒸气吸附仪助力北理工王博团队在《Science》发表新成果：高性能燃料电池用共价有机框架基多孔离聚物

氢燃料电池因为清洁无污染和高能量转换效率的优点而受到广泛关注。膜电极(MEA)作为质子交换膜燃料电池(PEMFCs)的关键部件，对质子交换膜燃料电池的性能起着决定性作用。在膜电极组件（MEA）的催化剂层（CL）中，ORR发生在氧-水-催化剂的三相界面上。离聚物是质子交换膜和Pt催化剂中质子电流位点之间的质子导电连接，在PEMFCs中主导着三相微环境。目前，全氟磺酸聚合物（PFSA，或Nafion）是应用最广泛的离聚物。然而，PFSA使用在燃料电池中存在铂催化剂利用率低、反应速度慢等问题。

图1. 燃料电池中Pt/C@COF-Nafion催化层及其作用机理图

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作者以单体2,5-二羟基对苯二甲醛（Dha）和1,3,5-三（4-氨基苯基）苯（Tab）为原料合成了DhaTab-COF（RDT-COF），将丙磺酸钠盐接枝到RDT-COF的孔壁上，然后进行酸化，得到了SDT-COF，优化了离聚体，从而定制三相微环境。COF的六边形孔改善了气体传输，固定在孔壁上的磺酸基团减少了与铂的结合，从而抑制了其活性。2.8至4.1纳米的介孔孔径和附加的磺酸盐基团能够实现质子转移并促进氧气渗透。Pt的质量活度和含Pt/Vulcan的燃料电池的峰值功率密度（阴极中每平方厘米0.07 mg Pt）均达到无COF时的1.6倍。该策略适用于不同铂负载量和不同商用催化剂的催化剂层。

图2. 燃料电池性能和耐用性

众所周知，质子交换膜含水率对质子传导能力有较大影响，同时也会影响氧气在质子交换膜中溶解扩散。作者通过测量质子交换膜的动态水蒸气吸附等温线及吸附动力学性能（BSD-DVS 多站重量法气体蒸气吸附仪，原型号 3H-2000PW）研究了SDT-COF膜的吸湿性能。与Nafion相比，SDT-COF膜的动态吸水能力远远低于Nafion膜的吸水能力。说明在燃料电池工作过程中，质子传输通道只有部分会被水分子占据，氧气能够穿透剩余的空间。作者还在30% RH和60% RH条件下进行了燃料电池性能测试，结果证明，随着湿度的降低，加入SDT-COF后，电池性能的降低程度逐渐降低。

图3. 质子交换膜吸湿性能评价-吸附等温线、吸附动力学曲线

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