近日，国际权威杂志《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc.）刊发了060net永利陈胜利课题组在质子交换膜燃料电池（PEMFC）膜电极电催化方向的最新研究进展，论文题为“A Molecule Assembly Route to Simultaneously Detoxify Platinum Sites and Disentangle Reactant Transport Paths in Proton Exchange Membrane Fuel Cells”。060net永利博士后唐美华与硕士研究生严黄丽为论文共同第一作者，永利官网陈胜利教授与香港城市大学刘彬教授为通讯作者，060net永利为第一署名单位。

PEMFC作为氢能利用的核心技术，在应对能源危机与环境挑战方面发挥着重要作用。然而，其大规模商业化进程长期受制于阴极氧还原反应（ORR）对贵金属铂（Pt）的大量依赖。为有效降低Pt用量，亟需系统优化核心组件膜电极（MEA）中阴极催化层（CCL）的宏/介观结构及Pt/离聚物电解质界面的纳米结构，以实现电化学反应与多组分传输之间的高效匹配。然而，常规CCL中催化剂颗粒（如Pt/C）与质子导电离聚物（如PFSA）通常呈无序分布且不均匀堆积，导致电化学界面及不同组分（尤其是质子和氧气）的传输网络与通道杂乱交织，进而造成各种影响ORR效率的过程之间存在难以调和的“顾此失彼”现象。此外，PFSA离聚物（以Nafion为代表）的磺酸侧链在Pt表面具有强吸附性，这不仅毒化催化位点，同时加剧离聚物在CCL中的不均匀聚集，尤其是会促使碳氟主链在Pt表面高度结晶而形成致密薄层，严重阻碍氧气在界面处的局域传输，是当前低Pt用量MEA性能受限的重要瓶颈。

针对上述问题，陈胜利研究团队提出了一种基于分子间作用驱动的自组装策略，以高效缓解Pt/离聚物界面吸附并构建有序、分离的多尺度传质通道。研究中在CCL内引入具有特殊几何与化学结构的β-环糊精（β-CD）作为分子调节剂，通过系统的物理表征、电化学测试与分子动力学模拟等手段，揭示了β-CD外表面丰富羟基与PFSA离聚物侧链间的氢键相互作用可调控PFSA的自组装行为，这不仅有效抑制了磺酸根对Pt表面的吸附，并构筑了连通有序的亲水域供质子传输，而组装体的大位阻效应也增加了CCL的孔隙率；同时，β-CD的疏水纳米空腔可为Pt/离聚物界面处的氧气传输提供快速通道。因此，基于此分子组装策略构建的CCL及其Pt/离聚物界面不仅具有充足的催化活性位点，还实现了氧气与质子传输通道的有序分离，从而显著提升了PEMFC的输出性能。

该工作展示了通过分子自组装技术跨尺度构建有序传质通道的有效策略，为低Pt高性能PEMFC技术的发展提供了新思路。

论文的其他合作者包括060net永利研究生郑臻颖、余成文、中国科公司上海高等研究院助理研究员张昊。该研究获得了国家自然科学基金重点项目、中国博士后科学基金等项目的支持。永利官网科研公共服务共享平台、武汉超算中心及永利官网超算中心为此项工作的顺利开展提供了有力支持。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c04479