材料牛注：利物浦大學的質擴研究人員在燃料電池領域取得重大突破，這有助于開發性能更優異的散新燃料電池材料。

質子交換膜燃料電池（Proton-exchange membrane fuel cells，技術PEMFCs）被認為是有望21世紀很有前途的，用于清潔高效發電的提升新能源技術。PEMFCs中的燃料質子交換膜（proton exchange membrane，PEM）將帶正電的電池質子從電池正極轉移到負極。大多數PEMs中水合質子通過水網膜傳輸。材料

為設計獲得性能更優異的質擴PEM材料，需要更深入分析如何改進交換膜的散新結構，使質子更容易從中傳導。技術然而，有望許多PEMs是提升由非晶態聚合物組成的，研究人員難以獲得其內部更精細的燃料結構組成。

利物浦大學化學系的電池研究人員在這一領域取得新的突破。他們在封閉空腔內合成分子，形成小分子（水分子、二氧化碳分子等）聚集的多孔有機“籠”。當“籠”中形成固體結構后，不同“籠”之間會形成小通道，供“做客”的小分子自由來往。

有機籠的排布非常規律，其內部形成晶體結構。研究人員可以采用晶體學方法對其結構進行相對模糊的描述，從而大致確定不同原子的相對位置。籠內分子可溶于普通固溶體中，這表明它可以與其它材料結合形成薄膜。

在不同的多孔有機籠之間“搭建”水通道之后，研究人員通過測試內部的質子電導率，用以評估其作為PEM的可行性。結果表明，有機籠質子電導率達到10^-3S/cm，這一數值與文獻中多孔框架材料的最優數值相當。

通過與英國愛丁堡大學等單位進行合作研究，研究人員采用實驗測量與計算機模擬的方法獲得了關于籠內質子傳導豐富的圖像信息。

在有機籠晶體中與質子傳導特征相關的PEM材料設計中，有兩個重要的設計原則：首先是水通道是三維延伸的，這表明質子運動不限于某一特定的方向，這與目前許多多孔材料的測試結果一致；其次，有機籠有助于水分子的運動，使質子在管道中的傳輸更流暢。同時，籠內水分子可以重組，這對長距離水分子內的質子傳輸也很重要。

實驗項目負責人Ming Liu博士表示，“除了引入新級別的質子導體，這項研究為PEM新材料設計提供了新的方向”。例如，水溶固體在有機籠的‘柔性約束’下，新型無水質子導體的質子電導率不受水分子影響，這有利于設計出高溫PEMFCs”。

利物浦大學化學家Sam Chong博士補充說，“這項研究工作涉及對質子擴散的基礎研究，因而在生物學領域也有重要的意義”。

Sam Chong博士已經被任命為利物浦大學材料創新工廠的講師。目前6800萬美元科研資金已經被投入到革命性的材料化學研究與發展中，目標是通過研發新材料，為各種制造工藝升級換代，節約能源和自然資源。

原文鏈接：Proton diffusion discovery a boost for fuel cell technologies。

文獻鏈接：Three-dimensional protonic conductivity in porous organic cage solids。

本文由編輯部楊超提供素材，李玉飛編譯，點我加入材料人編輯部。

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