商用質子交換膜燃料電池（PEMFCs）陰極的氧還原反應（ORR）由貴金屬催化，貴金屬通常是鉑（Pt）基材料。減少PEMFCs的Pt負載，同時保持高功率密度和耐用性，仍然具有挑戰性。雖然通過合金化和納米結構策略制備了新的催化劑，但它們的性能通常通過旋轉圓盤電極（RDE）技術進行評估，并且很難轉化為膜電極。在膜電極組件（MEA）的催化劑層（CL）中，ORR發生在氧-水-催化劑三相界面。要發生反應，氧氣必須穿過幾個納米的離聚物成分，并遇到巨大的傳質阻力。因此，優化三相微環境對于最大限度地提高PEMFC中催化劑的活性至關重要。

離聚物是質子交換膜和鉑催化位點之間的質子導電鏈，是PEMFCs中三相微環境的主要組成部分。目前，全氟磺酸聚合物（PFSA或Nafion）是使用最廣泛的離聚物。然而，PFSA不可避免地被緊緊地覆蓋在催化劑上，這會導致高氣體擴散阻力。離聚物和水的擴散阻力占總氣體阻力的80%，其余主要來自次生孔隙，次生孔隙是指存在于團聚體之間的>20 nm的孔隙。此外，Nafion中的-SO₃H基團可以強烈吸附和占據Pt表面的活性位點，這可以降低Pt活性，從而降低相應的質量活性（MA）和功率密度。

近日，北京理工大學王博教授和馮霄教授（共同通訊作者）等人在Science上發表成果Covalent organic framework–based porous ionomers for high-performance fuel cells，將基于共價有機框架（COF）的多孔離聚物應用于燃料電池中，實現了電池性能的突破。

在這里，作者通過將磺酸功能化的DhaTab-COF（SDT-COF）引入Nafion（相應的CL表示為Pt/C@SDT-Nafion）作為復合離聚物，制造了具有商用Pt/C（Pt/Vulcan）的高性能燃料電池（圖1）。SDT-COF具有由分子構建單元劃分的固有六邊形納米孔，這使CL具有更好的氣體傳輸能力。連接到孔壁的-SO₃H基團確保了通道內質子的快速傳導，而Nafion有助于降低COF納米片之間的界面阻抗。SDT-COF的剛性和高孔隙度也有助于削弱-SO₃H基團在Pt上的吸附。

通過對不同孔徑的其他COF以及其他剛性磺化材料進行對照實驗，證明了該COF的特殊性能。在CL中添加具有介孔孔徑的COF促進了三相界面的ORR，并改進了Pt的使用，以實現低Pt負載PEMFC的高功率密度。使用Pt/Vulcan的燃料電池中，Pt的質量活性和峰值功率密度(陰極中每平方厘米含0.07 mg Pt)均達到無COF燃料電池的1.6倍。該策略可應用于不同Pt負載和不同商業催化劑的催化劑層。

圖1. Pt/C@COF-Nafion的結構

圖2. SDT-COF的結構表征

圖3. 燃料電池性能和耐用性

圖4. 傳質性能對比