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氫燃料電池特別是質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池技術(shù)，作為一種清潔的、可靠的能量來源，具有使用條件溫和、能量轉(zhuǎn)化率高、零排放等諸多優(yōu)點(diǎn)。圍繞質(zhì)子交換膜燃料電池的研究是當(dāng)前國際研究的前沿和熱點(diǎn)，其核心技術(shù)之一在于質(zhì)子交換膜。目前僅有的幾種已商業(yè)化的質(zhì)子交換膜材料，如Nafion，存在合成步驟復(fù)雜、價格昂貴、工作最適溫度區(qū)間窄等缺點(diǎn)。因此，開發(fā)新型的可用于氫燃料電池質(zhì)子交換膜的新材料具有重要意義。共價有機(jī)框架(COFs)是一種新型的晶態(tài)多孔有機(jī)高分子材料，具有高比表面積、孔道大小可調(diào)、結(jié)構(gòu)和功能可定制等優(yōu)點(diǎn)，有望作為一種理想的質(zhì)子傳導(dǎo)材料。

圖1. NKCOFs分步合成路線圖及其結(jié)構(gòu)圖

南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院張振杰特聘研究員課題組發(fā)展了一種分步合成的新思路，制備了一系列高結(jié)晶、高穩(wěn)定的新型多孔共價有機(jī)框架材料(NKCOFs)。并通過“內(nèi)外兼修”(預(yù)先合成和后修飾)的策略，使NKCOFs實(shí)現(xiàn)了1.13×10–1S cm–1的超高質(zhì)子導(dǎo)電率。在制備成質(zhì)子交換膜應(yīng)用于氫燃料電池后，獲得了81 mW cm–2的最大輸出功率密度，創(chuàng)造了COFs材料的新紀(jì)錄。

圖2. NKCOFs應(yīng)用于燃料電池的示意圖

該工作最近發(fā)表于Angew. Chem. Int. Ed. 2019, DOI: 10.1002/anie.201913802。文章第一作者為南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院三年級博士生楊毅，通訊作者是南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院的張振杰特聘研究員。項(xiàng)目感謝南開大學(xué)和國家自然科學(xué)基金的資助。

參考文獻(xiàn)：
Yi Yang, Xueyi He, Penghui Zhang,Yassin H. Andaloussi, Hailu Zhang,Zhongyi Jiang, Yao Chen, ShengqianMa, Peng Cheng, and Zhenjie Zhang*.Predisposed Intrinsic and Extrinsic Proton Conduction in Robust Covalent Organic Frameworks for Hydrogen Fuel Cell Application.Angew. Chem. Int. Ed. 2019, DOI: 10.1002/anie.201913802.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201913802