燃料电池是未来低碳的重要能源技术。它们通过电化学反应将氧和氢转化为电。与电池相比，燃料电池可以连续工作，只要有氧气和氢气供应。燃料电池提供了低碳或零碳电力的承诺，因为它不需要碳燃料。燃料电池所需的氢和氧可以通过水裂解和空气分离等环境友好获得。目前的燃料电池设计存在铂催化剂利用率低、反应速度慢、铂成本高等问题。
最近，北京理工大学的王波和冯霄团队提出了一种设计多孔共价有机框架适用于燃料电池催化层（COF）这种多孔材料可以促进燃料向催化剂的运输，提高其利用率。相关结果以题为Covalent organic framework-based porous ionomers for high-performance fuel cells”发表在《Science》期刊。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm6304
减少燃料电池中的铂，而不牺牲功率密度和耐久性（Pt）负载很理想，但由于催化剂表面附近的高质量传输阻力，具有挑战性。在质子交换膜燃料电池中，Nafion铂催化剂通常被过度包裹和抑制，阻碍催化剂层中的气体传输。本研究通过将离子共价有机骨架（COF）纳米片并入Nafion，优化离聚体，定制三相微环境。COF六定在孔壁上的磺酸基团减少了与铂的结合，从而抑制了其活性。2.8-4.1纳米的介孔孔径和附加磺酸盐基团可实现质子转移，促进氧气渗透。Pt质量活动和含量Pt/Vulcan燃料电池的峰值功率密度(阴极中每平方厘米0.07 mg Pt）均达到无COF时的1.6倍。该策略适用于不同铂负荷和不同商用催化剂的催化剂层。
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图1 燃料电池中Pt/C@COF-Nafion催化层及其作用机理图
图2. 燃料电池的性能和耐久性；与文献值的比较
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