磷酸掺杂聚苯并咪唑（PA-PBI）高温质子交换膜（HT-PEMs）作为高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFCs）的关键部件，目前研究和应用最为广泛，但其自身仍存在缺点。磷酸（PA）掺杂水平过高会导致力学强度不可避免地下降，要保证力学强度，PA掺杂水平就会降低，进而导致质子传导率降低。利用功能性多孔芳香骨架材料（PAFs）对PA-PBI膜进行复合改性是极有潜力的解决策略。其中，PAFs是一类由不可逆碳碳键连接芳香族单元构成的应用十分广泛的多孔材料，具有稳定的刚性骨架和高比表面积。
为了优化PA-PBI高温质子交换膜的功率密度和PA保留率之间的平衡，东北师范大学呼微教授团队联合中国科学院山西煤炭化学研究所李南文研究员团队及福州大学张久俊院士团队，突破性地采用了季铵盐（QA）功能化多孔芳香骨架（QPAF-225）与带有侧链磺酸基团的磺化聚[2,2´-（对氧二苯基）-5,5´-双苯并咪唑]（SOPBI）复合，成功协同构建了综合性能优异的高性能复合HT-PEM。所设计制备的QPAF-225同时具有三嗪、羟基和季胺基团，QPAF-225的孔道（孔径1.41 nm）可以物理锚定PA分子；QPAF-225孔道骨架上的三嗪基团与PA间的酸碱相互作用实现了对PA有效含控；羟基化氢键网络及季铵基团又提供了PA的静电稳定作用，分子水平的相互作用（酸碱配对、氢键和离子交联）产生了有利的PA锚定位点，最终高效减少了PA流失，提高了HT-PEM的使用寿命和稳定性；阳离子QA基团和阴离子磺酸基团之间的离子相互作用建立了自增强的高效质子传输网络，协同提高了HT-PEM的质子传导率和HT-PEMFC的功率密度。 其中，含10%的QPAF-225 的QPAF-225-10复合HT-PEM在200 ℃时具有174 mS cm-1的高质子电导率和PA保留能力，以及适合长期应用的高力学强度；在超低Pt/C负载（0.3 mg cm-2）下所组装的HT-PEMFC峰值功率密度高达847 mW cm-2；同时，电池具有超低的电压衰减率，200 ℃下904小时内仅为0.04 mV h-1。该工作通过利用亲PA的季胺化PAF构建高效的质子传输通道，提高了HT-PEMFC的综合性能，为高功率密度和循环寿命及稳定性的HT-PEMFC提供了新一代的高性能HT-PEMs。 该工作通过三个关键贡献从根本上推进了高性能HT-PEMs的研制，包括证明静电锚定PA是一种有效的抗PA流失的策略；成功建立了功能化PAF增强复合HT-PEMs材料的微结构-性能关系；实现了同时提高质子传导率和耐久性。这些发现和进展通过创新的PAFs材料结构设计，为HT-PEMFC的研制和应用提供了极为有益的选择。 论文信息 Quaternized-PAF Architecture Mediated Proton Channels to Enhance Ultra-Robust Operation for 200 °C Proton Exchange Membrane Fuel Cells Xinyi Zong, Haina Mi, Fei Chen, Xianfeng Guan, Yuhan Liu, Prof. Dr. Wei Hu, Prof. Dr. Nanwen Li, Chunzhu Jiang, Prof. Dr. Yunfeng Lu, Guangshan Zhu, Prof. Wei Yan, Prof. Jiujun Zhang Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202509085
