近日，我院王素娜教授和李允伍教授科研团队的论文“从三维框架到二维层状调控Nd-MOF填料亲水性构筑高性能质子交换复合膜（Tuning the Hydrophilicity of Nd-MOF Fillers from 3D Frameworks to 2D Layers for High-Performance Proton Exchange Composite Membranes）”在美国化学会（ACS）出版的无机化学领域权威期刊《Inorganic Chemistry》发表。2023级硕士研究生王娜为论文第一作者，王素娜教授、李允伍教授和卢静副教授为通讯作者，聊城大学能源科学与技术学院为唯一完成单位。

质子交换膜燃料电池具有较高的能量密度和环境友好等特点，其质子交换膜（PEM）的质子电导率直接影响电池运行效率。Nafion是经典的PEM材料，金属有机框架（MOFs）因结构可调、结晶性好和热稳定性较高，被广泛用作质子交换膜的填料，以提升复合膜的质子传导性能。MOF/Nafion复合膜虽可结合两者优势，但掺杂量存在最优区间：过少提升有限，过多则颗粒团聚、性能下降。MOF填料的亲水性、最佳掺杂量与质子电导率之间的关联尚缺乏系统认识，制约了复合膜的理性设计。

针对上述问题，团队以三种结构相关的氮杂环羧酸配体和镧系金属Nd通过水热法合成三种组成相关、亲水性不同的Nd-MOFs：三维框架结构Nd-L1和二维层状结构Nd-L2、Nd-L3，并将其掺入Nafion制备复合膜，系统考察MOF结构、亲水性对复合膜吸水率、质子电导率和最佳掺杂量的影响。研究结果表明：尽管Nd-L3所含亲水基团最少，但其二维层两侧均匀分布的配位水使其表面亲水性最高（Nd-L3：接触角16.3°；Nd-L2：接触角17.8°；Nd-L1：26.1°）。得益于亲水性的提升，复合膜的质子电导率随MOF亲水性增强而提高。在363 K、100% RH条件下，Nd-L3/Nafion-0.3%的质子电导率达0.261 S·cm-1，是纯Nafion（0.138 S·cm-1）的1.89倍；Nd-L2/Nafion-0.5%与Nd-L1/Nafion-1.0%的质子电导率分别为0.256 S·cm-1（1.86倍）与0.242 S·cm-1（1.75倍），优于文献中大多数已报道的MOF/Nafion复合膜。此外，三种复合膜的质子传导活化能均低于0.4 eV，遵循Grotthuss机理，48小时连续运行电导率波动小于3%，展现出良好的稳定性与实用潜力。

结合接触角测试、水吸附模拟与Hirshfeld表面分析，团队证实二维层状结构有利于亲水位点在表面充分暴露，促进连续氢键网络构建，从而促进质子传导；同时，亲水性越强的MOF颗粒越容易团聚，因此最佳掺杂量与亲水性呈负相关（Nd-L1、Nd-L2、Nd-L3的最佳掺杂量分别为1.0%、0.5%、0.3%）。该工作阐明了MOF的亲水性在平衡质子电导率与填料分散性中的关键作用，为设计高性能MOF掺杂的复合质子交换膜提供了实验依据与理论指导。

本研究得到了国家自然科学基金和山东省自然科学基金等项目的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.6c03568