随着工业发展和化石燃料造成的能源枯竭和环境污染，促进我们发展清洁能源。质子交换膜燃料电池（PEMFCs）具有能量转换效率高、环境友好等优点，得到了广泛的关注。因此，开发有效的策略来设计和构建具有明确结构的材料，研究其结构-质子传导性能的关系仍然是重要的挑战。
近日，长春理工大学化学与环境工程学院苏忠民教授和吴雪松博士团队在期刊《Chemical Engineering Journal》(中科院一区，IF=13.3)上，发表了最新研究成果“Conjugated acid-base pairs in Keggin-type polyoxometalate-based metal-organic frameworks enhance proton conduction”。研究者通过密度泛函理论(DFT)模拟对有机配体进行筛选优化，以提升多酸基金属有机框架(POMOFs)的质子传导性能，并研究了合成的两种新型POMOFs (CUST-875和CUST-876，CUST代表长春理工大学)在质子交换膜燃料电池中的潜在应用。长春理工大学化学与环境工程学院2022级硕士研究生王宁浩为论文第一作者，长春理工大学化学与环境工程学院吴雪松博士、苏忠民教授和海南大学韩兴琪博士为论文共同通讯作者。
首先，选取两个结构类似的功能化有机配体4-abpt和Hdpt，对其分子静电势和氮位点pKa进行计算，并预测由pKa值较大的4-abpt所构筑的多酸基金属有机框架的质子传导性质较好。
为了验证理论的猜想，利用Keggin型多酸SiW12、过渡金属铜离子以及上述选择的两个结构类似的功能化有机配体，分别构筑了两个新型的多酸基金属有机框架CUST-875和CUST-876。
由于结构当中有大量未配位的氮位点、POMs的端氧可以作为质子跳跃位点，并且未配位的氨基可以和POMs形成共轭酸碱对，所以研究者对其质子传导性质进行研究。在恒温变湿的交流阻抗(AC)测试中，两个化合物的质子传导性质均随着湿度增加而增加。研究人员发现，湿度增加会导致结构中氢键网络更为密集，从而有效解释了相关性质增强的原因。在恒湿变温的AC测试中，相对湿度为98%的条件下，随着温度增加，质子在氢键网络中的转移加快，两个化合物的质子传导率也随之增加。两个化合物的活化能Ea均小于0.4 eV，属于Grotthuss机制，质子通过氢键网络快速传递。
在PEMFCs运行中，氧还原不完全时，副产物H2O2会产生活性氧自由基(OH·和OOH·)，导致PEMFCs中元件、电极等材料的腐蚀，影响其使用寿命。因此，降解H2O2的能力也成为对优秀质子导电材料的潜在要求。质子传导性质较好的CUST-875对H2O2有电流响应，说明有降解H2O2的能力，能够延长电池寿命。
王宁浩，硕士研究生，2022年获得长春理工大学工学学士学位，目前就读于长春理工大学化学与环境工程学院，导师为苏忠民教授。研究方向为多酸基金属有机框架材料的质子传导性质研究，目前在Chem. Eng. J.等期刊上发表SCI论文3篇。
吴雪松，博士，硕士生导师。2018年6月于东北师范大学获得理学博士学位，师从王新龙教授和苏忠民教授。目前主要从事功能性金属有机骨架等晶态材料的设计合成以及材料性能调控方式研究。主持或参与完成课题4项，在研课题3项。在Chem. Eng. J., ACS Materials Lett.,Chinese Chem. Lett.和Chem. Commun.等国际知名期刊上发表SCI论文20余篇。
韩兴琪，海南大学海洋科学与工程学院助理研究员。2023年1月于东北师范大学获得理学博士学位；2023年5月加入海南大学南海海洋资源利用国家重点实验室“海洋清洁能源创新团队”，获海南青年五四奖章集体荣誉。长期从事功能材料应用于能量转换和储存及二氧化碳还原、氮还原催化的科学研究，已在Adv. Funct. Mater., J. Energy Chem., Chin. Chem. Lett., J. Phys. Chem. Lett.等国际知名期刊发表论文20余篇，在实验理论与计算结合的小分子催化转化研究领域，及过渡金属催化剂的结构设计及性能调控方面具有丰富经验。
苏忠民，教授，博士生导师。第六、七届国务院学位委员会化学学科评议组成员。教育部跨世纪优秀人才，全国“五一劳动奖章”获得者。获国家自然科学奖二等奖(第二)，吉林省自然科学奖一等奖(第一)。科睿唯安高被引学者，爱思唯尔高被引学者。在量子化学和功能材料化学领域开展实验与理验研究工作，包括金属-氧簇(POM)和功能金属有机框架(MOF)材料的设计与合成、有机光电材料合成及其电子传输性质理论研究等。主持完成教育部长江学者创新团队项目、科技部“973计划”、“863计划”项目和国家自然科学基金重点项目等。近年来，发表包括Chem. Soc. Rev., Nat. Comm., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等SCI论文220篇，累计引用万余次。授权中国发明专利30件。
