许昌学院：氢燃料电池领域取得重要研究进展

氢能是优化我国能源结构的战略选择，氢燃料电池是其核心技术，其中质子交换膜（PEM）决定电池功率密度，是亟待突破的“卡脖子”问题。日前，许昌学院王景涛教授团队聚焦MOFs金属节点电子结构调控，成功制备ZnM-BDC-COOH 纳米片，为氢燃料电池质子交换膜结构优化与性能提升提供了全新方案。相关研究成果分别发表在《ACS Nano》《Advanced Functional Materials》等材料科学权威期刊。

王景涛教授团队从金属有机框架（MOFs）金属节点的电子结构调控出发，通过Cu2+、Co2+部分取代Zn-BDC中的Zn2+并引入–COOH基团，成功合成了ZnM-BDC-COOH纳米片。其中ZnCu-BDC-COOH在80 °C、98% RH条件下质子传导率高达361.5 mS cm-1，是Zn-BDC的16倍。理论计算表明，Cu2+引入后通过更强的吸电子作用诱导–COOH和Zn3CuO(COO)6节点的电子云不对称分布，形成局部电势梯度，从而降低质子解离能和水合质子迁移势垒。将其组装为层状膜后，燃料电池的峰值功率密度达到0.92 W cm-2，并可稳定运行超过100 h。相关研究成果以“Constructing Heterogeneous Metal Nodes in Metal-Organic Framework Lamellar Membranes for High Proton Conduction in Fuel Cells”发表在材料科学权威期刊《ACS Nano》。

此外，团队围绕MOFs和氢键有机框架（HOFs）在PEMs中的结构设计与性能调控进行了系统综述，比较了配位键和氢键在框架稳定性、质子传递网络构筑及膜内传递行为中的作用差异，归纳了本征功能化、酸碱位点构筑、亲水微环境调控等策略，并从规模化制备、运行稳定性、传递机制解析和经济可行性等方面讨论了当前挑战。相关综述以“Proton-Conducting MOFs and HOFs from Structural Design to Proton Exchange Membrane Applications”发表在材料科学权威期刊《Advanced Functional Materials》。（刘亚荣 孙旭涛）