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質子交換膜燃料電池（PEMFC）是清潔能源轉換的核心裝置，其性能瓶頸長期受限于質子導體的傳輸效率與穩定性。近日，劉百玲教授、李陽光教授、臧宏瑛教授等東北師范大學和長春理工大學合作團隊，在國際頂刊《Angewandte Chemie International Edition》發表題為Structural Effects in Polyoxometalate‐Based Supramolecular Assemblies for Enhanced Proton Conduction的研究論文。該團隊通過水相自組裝策略合成BPN超分子簇質子導體，實現了“高傳導率-低活化能-強穩定性”的協同，為下一代PEMFC關鍵材料設計提供了模塊化新路徑。

一、文獻背景（分點解析）

1. 研究意義

質子導體是PEMFC的“核心骨架”，其電荷輔助氫鍵網絡的精準度直接決定電池的能量轉換效率與服役壽命。開發兼具高質子傳導率、低傳輸能壘與寬環境耐受性的質子導體，是推動PEMFC向便攜式電子設備、小型分布式電源等場景實用化的關鍵，對實現“雙碳”目標具有重要支撐作用。

2. 研究現狀

當前質子導體研究存在兩大核心局限：①多數研究僅關注材料整體離子傳導率，忽略局部質子傳輸的微觀異質性（如不同吸附位點的遷移速率差異），導致無法從分子層面優化傳導路徑；②傳統材料難以平衡“三性能”——MOF基質子導體濕度敏感性強、離子omer體系質子通道因相分離受濕度制約，均無法同時滿足高傳導率、低活化能與長期穩定性的需求。

3. 科學問題

如何通過分子級結構設計，構建具有可編程質子傳輸路徑的質子導體，同時實現高傳導率、低活化能與優異環境穩定性的協同？如何揭示超分子組裝體中局部位點質子傳輸的動態差異，為材料設計提供明確的機制支撐？

4. 研究創新

首次通過水相自組裝策略，將[Bi?O?(OH)?]??鉍氧簇與[PW??O??]³?多金屬氧酸鹽（POM）結合，形成BPN超分子簇材料（化學式：[Bi?O?(OH)?]?.??[PW??O??][NO?]?.?[H?O]?.?）。該設計利用“鉍氧簇提升質子遷移率+POM穩定傳輸過渡態”的協同作用，搭配動態氫鍵網絡，突破了傳統均質材料的性能局限。

二、實驗部分

1. 材料合成

通過鉍硝酸鹽水解（pH=1-3）制備質子化鉍氧簇[Bi?O?(OH)?]??，再與[PW??O??]³?（HPW）通過電荷輔助氫鍵自組裝，生成BPN超分子簇；

2. 結構與機制表征

采用分子動力學（MD）模擬分析自組裝過程與質子傳輸路徑，密度泛函理論（DFT）計算質子轉移能壘；通過¹H魔角旋轉核磁共振（¹H MAS NMR）解析質子動態行為，X射線吸收光譜（XAS）表征W的價態與配位環境，結合FT-IR、Raman、HRTEM/STEM驗證超分子結構；

3. 性能測試

電化學阻抗法測試不同溫度（25-90℃）、濕度（45%-97% RH）下的質子傳導率；循環伏安法（CV）評估抗氧化穩定性；制備BPN-Nafion復合膜，在80℃、1 M甲醇工況下測試直接甲醇燃料電池（DMFC）的開路電壓（OCV）與功率密度。

三、核心研究結果

（一）關鍵結構特征：超分子組裝的層級有序性

BPN通過“電荷輔助氫鍵+靜電互補”形成穩定的層級結構，為質子傳輸提供連續通道。MD模擬顯示，鉍氧簇以面心立方模式圍繞POM排列（類似螢石（CaF?）晶體堆積），硝酸根離子維持體系電荷中性，確保結構熱力學穩定。