与普通电池不同的是，只要有氧气和氢气的供应，燃料电池就可以连续工作。燃料电池是实现低碳未来的重要能源技术。它们通过电化学反应将氧和氢转化为电。由于不需要含碳燃料，燃料电池提供了低碳或零碳电力的前景。燃料电池所需的氢和氧可以以环境友好的方式获得，例如分别从水分离和空气分离。然而，目前的燃料电池设计存在铂催化剂利用率低、铂成本高等问题。在2022年10月《科学》的第181页，北京理工大学张等人提出了一种设计，通过使用一种多孔材料，促进燃料向催化剂的运输并提高其利用率，从而大大提高了燃料电池的性能。
质子交换膜燃料电池已经探索了几十年，以追求从氢中获得清洁能源。该装置包括一个与氧反应的电极，另一个与氢反应的电极，以及一个将两者分开的质子导电膜。如果没有膜，两个电极可能会接触，导致短路和设备故障。相反，薄膜分离电极并控制质子的跨膜扩散，而质子是转换反应的重要成分。在这些成分中，最大的低效来自于与氧气反应的电极。在那里，氧分子、质子和电子必须在所谓的“三相边界”上相遇并相互作用(见图)。物理上，这个边界是由铂催化剂、用于气体扩散的空孔空间和质子导电聚合物(或膜的“离子单体”)的交集确定的。如果气孔太小，氧气就无法通过。在完美的条件下，氧和质子会在这个边界与电子结合形成水(O2 + 4H+ + 4e−→2H2O +能量)。不幸的是，在制造过程中，离子聚体会包裹铂催化剂并阻止氧气进入催化剂部位。
之前的工作已经研究了多孔框架以改善三相边界的气体扩散，但面临着化学稳定性或小孔径的挑战。例如，由有机配体和金属离子组成的多孔晶格的金属有机框架(MOFs)具有相对较小的孔隙(<2 nm)，从而产生相对较大的气体扩散阻力。相比之下，共价有机框架(COFs)具有更大的孔隙，允许氧气更快地运输到催化剂。然而，MOFs和COFs都面临涉及水解和温度的稳定性问题。特别是，作为燃料电池反应的副产物，MOFs很容易在水中溶解。相比之下，COFs可以发生热激活的可逆反应，导致溶解。为了克服稳定性问题，并维持质子传导通路和多孔网络，一些研究研究了具有更稳定化学性质的COFs。这些COFs包含极性或磺酸基，以引导质子通过孔隙传导。
尽管这些研究都取得了独特的进展，但要找到一个能够解决质子交换膜燃料电池环境中面临的众多挑战的COF或MOF是很有挑战性的。在之前的工作中，Zhang等人解决了单一COF材料中孔隙率、稳定性和性能的问题。它们通过提高氧气到达催化剂的可及性来改善三相边界的结构。他们设计了一种具有中孔(2.8 - 4.1 nm)的COF，内衬磺酸基团，用于与电极组装中的离子聚体结合。COFs包含有机构建块，排列成二维和三维多孔晶体晶格。这些孔洞的宽度刚好能让氧分子到达催化剂，而磺酸基为质子转运提供了位置。通过对几种COFs的研究，揭示了孔径的影响。
由于这种改进，铂的利用率和峰值功率相对于没有COF的电极提高了60%。此外，COF上的磺酸基取代了原本会覆盖铂催化剂的部分离子，通过COF的孔隙为氧气打开了更多的表面积。
这一工作与之前的工作有一些相似之处，之前的工作证明了COFs中更大的孔径有利于质子在多孔通道上的传导。最近的工作表明，通过在框架中引入多个质子导电基团来增加离子交换容量，可以更好地利用空隙空间。这些策略可以帮助未来的设计追求更有效的离子导电COFs用于质子交换膜燃料电池。Zhang等人解决了燃料电池电极的氧反应所面临的多重挑战，这是目前的主要限制因素。设计的COF具有足够的多孔性，允许氧气扩散，对质子具有导电性，并且在电极的极端环境中保持稳定。因此，电极的铂催化剂被更有效地利用。更广泛的影响是，这样的COFs可以最大限度地减少所需的铂，并提高氢燃料电池的实用性和竞争力，从而降低燃料电池的长期价格。
Ma T, Lutkenhaus JL. Hydrogen power gets a boost. Science. 2022 Oct 14;378(6616):138-139. doi: 10.1126/science.ade8092. Epub 2022 Oct 13. PMID: 36227994.