北京理工大学王博教授团队受生命体质子泵启发，首次发现质子传输新机制，突破了传统酸性离聚体的传输限制，显著提升质子交换膜燃料电池在高氢电转换效率下的功率输出性能。相关研究成果以“Open framework-based Brønsted acid–Lewis base interfaces boost proton transfer in the fuel cells”为题发表于《Science》期刊（DOI: 10.1126/science.adp3564）。

这是王博教授团队围绕燃料电池催化层多物质传输挑战取得的第三项《Science》研究成果。此前，团队开拓了多孔离聚体新体系，通过开放孔道缓解氧气传输限制，实现“让离子导体会呼吸氧气”；针对高温失水导致的质子传输阻断问题，构筑“100℃以上的类生命水通道”。此次工作首次提出“酸碱电子吸拉–限域水链介导”质子传输新机制，实现“让质子飞奔”，推动多组分传质由相互竞争、耦合受限，向跨尺度协同调控与高效匹配的转变。

多物质协同运输：从“独木桥”到“立体交通网络”

化学反应通常伴随反应物传递、界面聚集、化学键转化和产物脱附等跨尺度过程。尤其在气–液–固多相催化体系中，离子、水和气体等不同物性的组分被限制在狭小同质的空间内耦合传输，存在通道占据和传输阻滞等竞争效应。如何协调多组分的传输路径与动力学，实现跨尺度传质与界面反应的时空匹配，是影响催化活性、选择性和稳定性的重要科学问题。

质子交换膜燃料电池阴极催化层具有典型的气–液–固多相反应界面。在这一界面中，氧气、质子和电子在催化剂表面发生氧还原反应并生成水。离聚体作为质子导体以数纳米厚度包覆于催化剂表面。然而，氧气、质子和水由此在这一有限纳米空间内高度耦合、相互制约，如同共同通过一座狭窄的“独木桥”，使这一纳米尺度传输层成为影响燃料电池高效运行的关键区域。

让质子飞奔：向天然质子泵学习，为质子修建“高速公路”

长期以来，燃料电池催化层用离聚体（如商用Nafion等）不仅透氧能力有限，其质子传输性能也难以满足高效氢电转换需求。在自然界的质子泵中，质子由质子化席夫碱经连续水分子链传递至邻近的天冬氨酸残基，这种通过酸、碱功能位点与有序水分子的协同作用，可实现快速质子传递。受此启发，团队设计了一系列具有路易斯碱性位点的仿生开放框架材料，并与传统离聚体复合，在催化剂表面构筑“布朗斯特酸–路易斯碱”协同界面。在这一界面中，磺酸基、碱性位点和水分子共同形成多步质子“接力”通道，使质子能够在不同位点之间连续迁移。同时，界面调节局域水的氢键结构，加快氢键断裂与重组，为连续的质子跃迁创造更加有利的动态环境。

作者表示，该团队发现的这一“酸碱电子吸拉–限域水链介导”质子传输新机制，突破了传统基于酸性离子聚合物的传输极限。该机制使质子自扩散系数相对于Nafion提高12倍，纳米尺度薄膜下质子电导率提升6.5倍，同时提供了高效的氧气和气态水的传输通路。将该复合离聚体与商业Pt/C催化剂结合后，燃料电池额定功率较传统Nafion体系提高4倍；在相同测试条件下，其额定输出功率达到国际先进水平。

通过这一策略，团队将原有高度耦合的纳米“独木桥”重构为更加有序的“立体交通网络”：通过界面化学与开放孔道的协同调控，为质子、氧气和水建立更适配其传输机制的路径，使质子能够沿低阻力“高速公路”快速迁移，同时维持氧气输运和生成水排出，从而实现多物质在微观限域环境中的协同输运。

2022年：会呼吸氧气的质子导体

2022年，团队在《Science》上率先提出了多孔框架离聚体体系，在框架孔道内引入磺酸基保障质子传输，同时利用开放孔隙为氧气和水提供通路。在阴极铂载量仅为0.07 mg_Pt cm⁻²的条件下，Pt/C催化剂质量活性和燃料电池峰值功率密度均提高约1.6倍（Covalent organic framework-based porous ionomers for high-performance fuel cells, DOI: 10.1126/science.abm6304）。

2024年：100℃以上的类生命水通道

2024年，团队进一步面向100℃以上燃料电池中的失水问题，构筑α-氨基酮连接的开放框架，通过稳定孔壁形成“耐高温的吸附水”维持质子传输，并兼顾气体渗透。燃料电池在105 ℃下实现9.5 W mg⁻¹_Ptcathode的额定功率密度，达到纯Nafion体系的1.9倍（Oxygen- and proton-transporting open framework ionomer for medium-temperature fuel cells, DOI: 10.1126/science.adq2259）。

（摘自北京理工大学）