原作者：聊城大學化學化工學院 盧靜，本賬号獲授權代為發布。

衆所周知，能源危機問題和環境問題是當今人類社會維持可持續發展所迫切需要解決的問題。為此，人們提出了各種以可再生清潔能源為基礎的新技術替代傳統的化石能源。在衆多太陽能、核能、風能、潮汐能等衆多新能源中，氫能由于其燃燒熱值高、燃燒産物清潔、可循環使用的優點而受到人們的關注。

氫燃料電池是氫能利用的一種重要形式，是将氫氣和氧氣的化學能直接轉換成電能的發電裝置。電池工作過程中不需要進行燃燒，沒有能量損耗，因此能量轉換率可高達60%~80%，為普通内燃機的2~3倍。氫燃料電池的反應産物隻有水，不會産生任何有害物質，對環境無污染。且電池運行安靜，噪聲大約隻有55分貝，相當于人們正常交談的水平，适合于室内安裝，或是在室外對噪聲有限制的地方。另外，電池裝置可大可小，非常靈活，可廣泛應用于汽車、航天等領域。

圖一 氫燃料電池在汽車中的應用(圖片來源于網絡)

氫燃料電池的工作原理如圖二所示。氫氣在陽極失去電子并釋放質子（H ），H 通過質子交換膜擴散到陰極；電子經外電路流向陰極，O2在陰極得到電子被還原為O2-離子，O2-離子與擴散過來的質子結合生成H2O，完成電池反應。該過程中，質子交換膜既要保證質子的順利通過，又要防止其兩側的氣體滲透，是氫燃料電池的核心器件，其性能對電池的工作效率具有決定性的影響。因此，如何提高質子交換膜的質子傳導性能是近年來燃料電池領域中被廣泛關注的研究課題。

圖二 氫燃料電池工作原理示意圖

當前廣泛用作質子交換膜的主要是Nafion（全氟磺酸質子交換膜），其質子電導率可達0.1 S·cm-1。但Nafion膜的熱穩定性較差，當電池的工作溫度高于80 oC時，其質子電導率（σH ）會有顯著下降。Nafion膜對電池工作環境的高要求，很大程度地限制了燃料電池技術的推廣應用。研究發現，金屬有機骨架（MOFs）材料作為優良的質子導體可與Nafion 複合并發揮兩種材料的優勢，獲得更高性能的質子交換膜。但該方法存在兩個突出的問題：一是影響MOFs質子傳導性的因素複雜，構效關系不明确，提高MOFs質子傳導性的方法不夠明确；二是MOFs材料的機械強度差，不易加工，自身不适合做質子交換膜，與Nafion複合時也存在二者界面的兼容問題以及顆粒的聚集問題。

因此，本課題組從當前質子交換膜的實際問題出發，将從原子、分子層次上探索MOFs材料質子傳導性能的構效關系，尋找控制材料顆粒尺寸的有效手段，優化質子交換複合膜的制作方法，旨在解決MOFs材料的質子傳導性提升以及與Nafion 界面的兼容性的科學問題，提高複合膜的各項性能指标，解決當前PEM質子電導率不高、穩定性差的科學問題，進而提升燃料電池的工作效率、拓寬應用領域，為我國“發展新能源”、“減少碳排放”戰略目标的實現貢獻力量。

導師簡介

盧靜，博士，副教授，碩士研究生導師。長期從事MOFs材料的合成、結構及其功能性研究工作，主持完成國家自然科學基金青年項目一項，參與完成國家自然科學基金面上項目一項，省自然科學基金兩項。在國際學術期刊發表SCI論文30餘篇。獲得聊城大學2021年度教學觀摩賽一等獎、2022年度教學創新大賽二等獎（副高組），聊城大學“光嶽人才”第二層次獎勵。目前，指導的已畢業碩士研究生7人，其中有4人順利考取博士。

招生專業：無機化學