近日，化学与化工学院宣为民特聘研究员课题组在质子交换膜燃料电池领域取得重要进展。相关研究成果以《阳离子导向组装与连续功能化构建超高质子导电多阴离子-有机框架助力高功率燃料电池》“Cation-directed assembly and sequential functionalization enable superprotonic polyanion–organic frameworks for high-power fuel cells”为题，发表于《自然化学》（Nature Chemistry）上。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）的商用化应用，长期受限于膜材料中质子传导率与稳定性难以兼得的难题。针对这一瓶颈，宣为民课题组提出了一种超分子工程策略：利用具有三角对称性的阳离子构筑基元，通过静电作用与C–H···O氢键精准锚定Keggin型多金属氧酸盐（POM）阴离子，成功构建了一系列具有一维有序孔道的多酸-有机框架（POFs）。该类材料具备优异的化学稳定性与结构柔性，并可通过后修饰依次引入质子化的咪唑与烷基磺酸基团，从而展现出优异的质子传导性能。将POFs作为添加剂改性复合质子交换膜后，燃料电池性能大幅超越商用膜，为新一代燃料电池隔膜的研发开辟了新思路。

图1. 多孔多金属氧酸盐-有机框架（POFs）合成及顺序功能化的示意图

图2. POFs及POF@Nafion复合膜的质子传导性与燃料电池性能

图3. SiW-POF2(0.3)-S(60%)质子传导机理研究

在85 °C、98%相对湿度下，磺化后的POF材料SiW-POF2(0.3)-S(60%)质子传导率达到7.04 × 10⁻² S·cm⁻¹，与商用Nafion膜相当。Arrhenius分析显示其质子传输机制为Grotthuss型跳跃机制，活化能低至0.39 eV。进一步将该材料以3 wt% 掺入Nafion基体制备杂化膜后，在H₂–O₂燃料电池测试中实现了3400 mA·cm⁻²的最大电流密度和1367 mW·cm⁻²的峰值功率密度，较纯Nafion膜提升133%。该复合膜在90–95 °C下连续运行168 小时，电压衰减率仅0.23 mV·h⁻¹，展现出卓越的耐久性。结合固态核磁、变温红外及分子动力学模拟，研究团队揭示了高效质子传导的微观机制：磺酸基团在特定孔道（孔道1）内构建了包含约200个氢键的连续渗透网络，为质子跳跃提供了高效传输通道；而另一孔道（孔道2）氢键网络不连续，仅支持局域传输。这项工作突破了传统质子交换膜的性能极限，也为高质子传导多孔材料的设计提供了新范式。

化学与化工学院博士研究生赵启新为论文第一作者，东北师范大学/中国科学院上海有机所李波、剑桥大学Dhruv Menon、东华大学朱春梅为论文共同第一作者，特聘研究员宣为民为论文的通讯作者，东北师范大学臧宏瑛教授和剑桥大学David Fairen-Jimenez教授为论文共同通讯作者。东华大学为第一通讯单位。研究得到国家自然科学基金等项目的资助。东华大学材料学院测试平台以及上海同步辐射光源为晶体数据的收集提供了技术支持。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41557-026-02169-8