Gần đây, nhóm nghiên c cứu hợp tác do các Giáo sư Liu Bailin, Li Yangguang và Zang Hongying từ Đại học Sư phạm Đông Bắc và Đại học Khoa học Kỹ thuật Trường Xuân dẫn đầu đã công bố những phát hiện nghiên cứu quan trọng trên tạp chí quốc tế hàng đầu Angewandte Chemie International Edition. Nghiên c cứu đã tổng hợp được các chất dẫn proton c cụm siêu phân tử BPN thông qua chiến lược tự lắp ráp trong nước, đạt được sự kết hợp "độ dẫn điện cao - năng lượng kích hoạt thấp - độ ổn định mạnh", cung cấp một hướng tiếp cận mới theo mô-đun cho việc thiết kế các vật liệu then chốt của PEMFC thế hệ tiếp theo.
Chất dẫn proton là "khung xương lõi" của PEMFC, và hiệu suất của chúng trực tiếp quyết định hiệu suất chuyển đổi năng lượng và tuổi thọ của pin. Nghiên c cứu hiện tại có hai hạn chế lớn: thứ nhất, bỏ qua tính không đồng nhất vi mô của quá trình vận chuyển proton cục bộ, khiến khó tối ưu hóa đường dẫn ở cấp độ phân tử; thứ hai, các vật liệu truyền thống không thể cân bằng "ba tính năng", với chất dẫn proton dựa trên MOF rất nhạy cảm với độ ẩm và các kênh proton trong hệ thống ionomer bị hạn chế bởi sự phân tách pha. Nhóm nghiên cứu đã giải quyết hai vấn đề khoa học then chốt: "làm thế nào để xây dựng các đường vận chuyển proton có thể lập trình và phối hợp nhiều tính năng" và "làm thế nào để làm sáng t tỏ sự khác biệt động lực trong vận chuyển proton tại vị trí c cục bộ".
Điểm đổi mới của nghiên cứu này nằm ở việc lần đầu tiên kết hợp c cụm oxit bismuth [Bi₆O₅(OH)₃]⁵⁺ và polyoxometalat (POM) [PW₁₂O₄₀]³⁻ thông qua quá trình tự lắp ráp trong nước, hình thành vật liệu cụm siêu phân tử BPN (công thức hóa học: [Bi₆O₅(OH)₃]₂.₂₄[PW₁₂O₄₀][NO₃]₂.₄[H₃O]₅.₈). Thiết kế này tận dụng hiệu ứng hiệp đồng của "cụm oxit bismuth tăng cường tính di động proton + POM ổn định trạng thái chuyển tiếp truyền dẫn", kết hợp với mạng lưới liên kết hydro động, để vượt qua các hạn chế hiệu suất của vật liệu đồng nhất truyền thống.
Các kết quả nghiên c cứu cốt lõi nổi bật với ba đột phá lớn: Về đặc điểm cấu trúc, BPN hình thành một cấu trúc có trật tự phân cấp thông qua "liên kết hydro h hỗ trợ điện tích + bổ sung tĩnh điện". Mô phỏng MD cho thấy các cụm oxit bismuth được sắp xếp xung quanh POM theo kiểu lập phương tâm mặt, tương tự như sự xếp chồng của tinh thể fluorit, với XAS và NMR xác minh trạng thái hóa trị hỗn hợp của W⁵⁺/W⁶⁺ và liên kết hydro mạnh. Về hiệu suất, ở 90°C và 97% độ ẩm tương đối, độ dẫn proton đạt 0,12 S·cm⁻¹, tương đương với màng Nafion thương mại, và ở 25°C là 5,6×10⁻³ S·cm⁻¹. Hiệu suất duy trì ổn định sau 72 giờ vận hành liên tục, với năng lượng kích hoạt chỉ 0,19 eV, đồng thời chịu được axit mạnh, oxy hóa và nhiệt độ cao, không có hiện tượng rò rỉ POM sau khi ngâm nước 1.680 giờ. Về ứng dụng, DMFC lắp ráp với màng composite BPN-Nafion, trong điều kiện 80°C và methanol 1 M, đạt điện áp hở mạch 0,82 V và mật độ công suất cực đại 86 mW·cm⁻², cải thiện 59,3% so với màng Nafion nguyên chất.
Nghiên cứu cơ chế tiết lộ vị trí Bi-O đóng vai trò "kênh truyền nhanh" cho proton, và việc đưa POM vào làm giảm rào cản năng lượng chuyển proton từ 1,66 eV xuống 0,14 eV, đạt hiệu suất truyền tối ưu khi lượng hấp phụ phân tử nước đạt 6,1% khối lượng. Chiến lược thiết kế "đơn vị cụm vô cơ + mạng liên kết hydro động" được đề xuất không chỉ làm sáng t tỏ cơ chế dị thể vận chuyển proton tại vị trí cục bộ, mà còn cung cấp nền tảng vật liệu then chốt cho thiết bị năng lượng sạch trong các kịch bản như điện tử di động và drone, thúc đẩy phát triển PEMFC theo hướng hiệu suất cao hơn, tuổi thọ dài hơn và chi phí thấp hơn.
