Baru－baru ini， tim kolaboratif yang dipimpin oleh Profesor Liu Bailin， Li Yangguang， dan Zang Hongying dari Northeast Normal University dan Changchun University of Science and Technology mempublikasikan temuan penelitian penting dalam jurnal internasional terkemuka Angewandte Chemie International Edition。 Penelitian ini mensintesis konduktor proton kluster supramolekul BPN melalui strategi perakitan－sendiri akuatik， mencapai sinergi "konduktivitas tinggi－energi aktivasi rendah－stabilitas kuat，" memberikan pendekatan baru modular untuk desain material kunci PEMFC generasi berikutnya。
Konduktor proton merupakan "kerangka inti" PEMFC， dan kinerjanya secara langsung menentukan efisiensi konversi energi dan masa pakai baterai。 Penelitian saat ini memiliki dua keterbatasan utama： pertama， mengabaikan heterogenitas mikro transport proton lokal， menyulitkan optimalisasi jalur konduksi pada tingkat molekuler； kedua， material tradisional tidak dapat menyeimbangkan "tiga kinerja，" dengan konduktor proton berbasis MOF sangat sensitif terhadap kelembapan dan sistem ionomer yang saluran protonnya dibatasi oleh pemisahan fase。 Tim menangani dua pertanyaan ilmiah kunci： "bagaimana membangun jalur transport proton yang dapat diprogram dan mengoordinasikan berbagai kinerja" serta "bagaimana mengungkap perbedaan dinamis dalam transport proton situs lokal。"
Inovasi penelitian ini terletak pada kombinasi pertama kali antara kluster bismut oksida [Bi₆O₅（OH）₃]⁵⁺ dan polioksometalat [PW₁₂O₄₀]³⁻ （POM） melalui perakitan－sendiri akuatik， membentuk material kluster supramolekul BPN （rumus kimia： [Bi₆O₅（OH）₃]₂。₂₄[PW₁₂O₄₀][NO₃]₂。₄[H₃O]₅。₈）。 Desain ini memanfaatkan efek sinergis "kluster bismut oksida meningkatkan mobilitas proton ＋ POM menstabilkan keadaan transisi transmisi，" ditambah dengan jaringan ikatan hidrogen dinamis， untuk mengatasi keterbatasan kinerja material homogen tradisional。
Hasil inti penelitian menyoroti tiga terobosan besar： Dalam hal karakteristik struktural， BPN membentuk struktur teratur berhirarki melalui "ikatan hidrogen berbantuan muatan ＋ komplementaritas elektrostatik。" Simulasi MD menunjukkan bahwa kluster bismut oksida tersusun di sekitar POM dalam mode kubik berpusat－muka， mirip dengan tumpukan kristal fluorit， dengan XAS dan NMR memverifikasi keadaan valensi campuran W⁵⁺/W⁶⁺ dan ikatan hidrogen yang kuat。Dalam hal kinerja, pada suhu 90°C dan kelembapan relatif 97%, konduktivitas proton mencapai 0,12 S·cm⁻¹, setara dengan membran Nafion komersial, dan pada suhu 25°C, nilainya adalah 5,6×10⁻³ S·cm⁻¹. Kinerja tetap stabil setelah 72 jam operasi berkelanjutan, dengan energi aktivasi serendah 0,19 eV, serta tahan terhadap asam kuat, oksidasi, dan suhu tinggi, tanpa kebocoran POM setelah direndam dalam air selama 1.680 jam. Dalam hal aplikasi, DMFC yang dirakit dengan membran komposit BPN-Nafion, pada kondisi 80°C dan metanol 1 M, mencapai tegangan rangkaian terbuka 0,82 V dan kepadatan daya maksimum 86 mW·cm⁻², yang merupakan peningkatan 59,3% dibandingkan membran Nafion murni.
Studi mekanisme mengungkapkan bahwa situs Bi-O berfungsi sebagai "saluran cepat" untuk proton, dan pengenalan POM mengurangi penghalang energi transfer proton dari 1,66 eV menjadi 0,14 eV, dengan efisiensi transmisi optimal ketika jumlah adsorpsi molekul air mencapai 6,1% berat. Strategi desain "unit kluster anorganik + jaringan ikatan hidrogen dinamis" yang diusulkan oleh penelitian tidak hanya mengungkap mekanisme heterogenitas transportasi proton pada situs lokal, tetapi juga menyediakan dukungan material kunci untuk perangkat energi bersih dalam skenario seperti elektronik portabel dan drone, mendorong pengembangan PEMFC menuju efisiensi lebih tinggi, masa pakai lebih panjang, dan biaya lebih rendah.
