ล่าสุด ทีมวิจัยร่วมที่นำโดยศาสตราจารย์หลิว ไบหลิน ศาสตราจารย์หลี่ หยางกวาง และศาสตราจารย์ซาง หงอิง จากมหาวิทยาลัย Northeast Normal University และมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีฉางชุน ได้เผยแพร่ผลการวิจัยที่สำคัญในวารสารระดับนานาชาติชั้นนำ Angewandte Chemie International Edition การศึกษานี้สังเคราะห์ตัวนำโปรตอนคลัสเตอร์ซูเปอร์โมเลกุล BPN ผ่านกลยุทธ์การประกอบตัวเองในน้ำ ทำให้เกิดการทำงานร่วมกันของ "การนำไฟฟ้าสูง-พลังงานกระตุ้นต่ำ-ความเสถียรสูง" โดยนำเสนอวิธีการใหม่แบบโมดูลาร์สำหรับการออกแบบวัสดุหลักของ PEMFC รุ่นต่อไป
ตัวนำโปรตอนเป็น "โครงสร้างหลัก" ของ PEMFC และประสิทธิภาพของมันจะเป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพการแปลงพลังงานและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่โดยตรง การวิจัยในปัจจุบันมีข้อจำกัดหลักสองประการ ประการแรกคือ ไม่คำนึงถึงความไม่สม่ำเสมอระดับจุลภาคของการขนส่งโปรตอนในท้องถิ่น ทำให้ยากต่อการปรับเส้นทางการนำไฟฟ้าในระดับโมเลกุล ประการที่สองคือ วัสดุแบบดั้งเดิมไม่สามารถสร้างสมดุล "ประสิทธิภาพสามประการ" โดยตัวนำโปรตอนที่มีพื้นฐานเป็น MOF มีความไวต่อความชื้นสูง และช่องทางโปรตอนของระบบไอออนิกโอเมอร์ถูกจำกัดโดยการแยกเฟส ทีมวิจัยได้จัดการกับคำถามทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญสองข้อ คือ "วิธีสร้างเส้นทางการขนส่งโปรตอนที่สามารถเขียนโปรแกรมได้และประสานประสิทธิภาพหลายอย่าง" และ "วิธีเปิดเผยความแตกต่างทางพลวัตในการขนส่งโปรตอนในตำแหน่งท้องถิ่น"
นวัตกรรมของการวิจัยครั้งนี้อยู่ที่การรวมคลัสเตอร์ออกไซด์บิสมัท [Bi₆O₅(OH)₃]⁵⁺ และโพลีออกซ์โอเมทาเลต [PW₁₂O₄₀]³⁻ (POM) เข้าด้วยกันเป็นครั้งแรกผ่านการประกอบตัวเองในน้ำ สร้างวัสดุคลัสเตอร์ซูเปอร์โมเลกุล BPN (สูตรเคมี: [Bi₆O₅(OH)₃]₂.₂₄[PW₁₂O₄₀][NO₃]₂.₄[H₃O]₅.₈) การออกแบบนี้ใช้ประโยชน์จากผลกระทบร่วมกันของ "คลัสเตอร์ออกไซด์บิสมัทเพิ่มความสามารถในการเคลื่อนที่ของโปรตอน + POM ทำให้สถานะการเปลี่ยนผ่านของการส่งผ่านมีความเสถียร" รวมกับเครือข่ายพันธะไฮโดรเจนแบบพลวัต เพื่อเอาชนะข้อจำกัดด้านประสิทธิภาพของวัสดุเอกรูปแบบดั้งเดิม
ผลการวิจัยหลักเน้นถึงความก้าวหน้าครั้งสำคัญสามประการ ในแง่ของลักษณะโครงสร้าง BPN สร้างโครงสร้างที่มีลำดับชั้นโดยผ่าน "พันธะไฮโดรเจนที่ช่วยในการประจุ + การเสริมกันทางไฟฟ้าสถิต" การจำลอง MD แสดงให้เห็นว่า คลัสเตอร์ออกไซด์บิสมัทถูกจัดเรียงรอบ POM ในรูปแบบลูกบาศก์หน้ากลาง เหมือนกับการเรียงตัวของผลึกฟลูออไรต์ โดย XAS และ NMR ยืนยันสถานะวาเลนซ์ผสมของ W⁵⁺/W⁶⁺ และพันธะไฮโดรเจนที่แข็งแกร่งในแง่ของประสิทธิภาพ ที่อุณหภูมิ 90 องศาเซลเซียสและความชื้นสัมพัทธ์ 97% การนำไฟฟ้าโปรตอนสูงถึง 0.12 เอส·ซม.⁻¹ ซึ่งเทียบเท่ากับเมมเบรนนาไฟออนเชิงพาณิชย์ และที่อุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียสอยู่ที่ 5.6×10⁻³ เอส·ซม.⁻¹ ประสิทธิภาพยังคงเสถียรหลังจากใช้งานต่อเนื่อง 72 ชั่วโมง โดยมีพลังงานกระตุ้นเพียง 0.19 อิเล็กตรอนโวลต์ และทนทานต่อกรดแรง ออกซิเดชัน และอุณหภูมิสูง โดยไม่มีการรั่วไหลของพีโอเอ็มหลังแช่น้ำ 1,680 ชั่วโมง ในด้านการประยุกต์ใช้ เซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลโดยตรงที่ประกอบด้วยเมมเบรนคอมโพสิตบีพีเอ็น-นาไฟออน ภายใต้เงื่อนไขอุณหภูมิ 80 องศาเซลเซียสและเมทานอล 1 โมลาร์ บรรลุแรงดันวงจรเปิด 0.82 โวลต์ และความหนาแน่นกำลังสูงสุด 86 มิลลิวัตต์·ซม.⁻² ซึ่งเป็นการปรับปรุง 59.3% เมื่อเทียบกับเมมเบรนนาไฟออนบริสุทธิ์
การศึกษากลไกเปิดเผยว่าด้านบิสมัท-ออกซิเจนทำหน้าที่เป็น "ช่องทางเร็ว" สำหรับโปรตอน และการนำพีโอเอ็มเข้ามาช่วยลดพลังงานกระตุ้นการถ่ายเทโปรตอนจาก 1.66 อิเล็กตรอนโวลต์เหลือ 0.14 อิเล็กตรอนโวลต์ โดยมีประสิทธิภาพการส่งผ่านสูงสุดเมื่อปริมาณการดูดซับโมเลกุลน้ำถึง 6.1% โดยน้ำหนัก กลยุทธ์การออกแบบ "หน่วยคลัสเตอร์อนินทรีย์ + เครือข่ายพันธะไฮโดรเจนแบบไดนามิก" ที่เสนอโดยงานวิจัยนี้ ไม่เพียงเปิดเผยกลไกความหลากหลายในการขนส่งโปรตอนเฉพาะที่ แต่ยังให้การสนับสนุนวัสดุหลักสำหรับอุปกรณ์พลังงานสะอาดในสถานการณ์ต่าง ๆ เช่น อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพาและโดรน ส่งเสริมการพัฒนาของเซลล์เชื้อเพลิงเยื่อหาแบบแลกเปลี่ยนโปรตอนไปสู่ประสิทธิภาพที่สูงขึ้น อายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น และต้นทุนที่ต่ำลง
