金属有机框架材料中的质子传导及其在质子交换膜中的应用

质子交换膜（proton exchange membrane，PEM）是保证燃料电池安全、高效运行的关键部件。当前，Nafion及部分Nafion衍生物PEM被广泛应用于燃料电池、电解制氢、传感检测、液流电池等领域。但是，其仍存在制造成本过高、高效温度范围狭窄（\mathrm{约}\mathrm{20}~\mathrm{80}℃）等问题。近年来，部分金属有机框架材料（metal-organic frameworks，MOFs）因具有结晶性、可设计性和高比表面积等优点，作为潜在的新型质子导体，被用于修饰、改进现有高分子质子交换膜，或直接被作为主要质子传导介质制成质子交换膜，取得了一系列重要进展。本文详细介绍了在MOFs中五种质子传导的常见方式，综述了近年来国内外在高性能质子传导MOFs领域的代表性成果，总结了质子传导MOFs在质子交换膜中的三类常见应用方法，指出MOFs材料在提高PEM质子电导率、降低PEM成本、拓宽PEM高效工作区间等方面具有巨大的发展潜力。最后，本文提出现有MOFs在质子交换膜中的应用还存在稳定性、耐久性、有害物质逸出等方面的问题，这为新型MOFs质子交换膜的开发提供了参考与思路。     

质子交换膜燃料电池研究进展

质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell, PEMFC）因具有效率高、功率密度大、排放产物仅为水、低温启动性好等多方面优点,被公认为下一代车用动力的发展方向之一。然而,目前PEMFC在耐久性和成本方面距离商业化的要求还存在一定差距。为攻克上述两大难题,需要燃料电池全产业链的共同努力和进步。本文回顾了近年来质子交换膜燃料电池从催化剂、膜电极组件、电堆到燃料电池发动机全产业链的研究进展和成果,梳理出单原子催化剂、非贵金属催化剂、特殊形貌催化剂、有序化催化层、高温质子交换膜、膜电极层间界面优化、一体化双极板-扩散层、氢气系统循环等研究热点。文章指出,催化层低铂/非铂化、质子交换膜超薄化、膜电极组件梯度化/有序化、燃料电池运行高温化、自增湿化是未来的发展趋势,迫切需要进一步的创新与突破。