自 1960 年代以來，燃料電池一直面臨著許多挑戰，尤其是在氧氣傳輸方面。最近，中國的研究團隊或許找到了解決這一問題的關鍵。他們來自全國各地的科學家們，開發出了一種新型催化劑層，旨在解決質子交換膜燃料電池（PEMFCs）中最棘手的氧氣傳輸困難。這項研究的核心在於利用三嗪基共價有機框架（COFs）精確調整納米界面，使氧氣阻力降低了驚人的 38%。這一進展使得燃料電池能夠以更少的材料釋放出更多的能量，顯示出其潛在的經濟效益。
根據研究團隊的報告，升級後的燃料電池在僅使用 0.05 mg_Pt/cm² 的鉑時，達到了高達 1.55 W/cm² 的峰值功率密度。這一數據反映出即使在低鉑負載的情況下，其性能也能與傳統高鉑設計相媲美。研究者指出，這種新架構的功率輸出是相同鉑含量的傳統 PEMFCs 的 1.3 倍，大幅度提升了經濟可行性，這在推進氫能技術的商業化上具有重要意義。
這一突破的關鍵在於 COFs 與 Nafion 的相互作用，後者是大多數商業 PEMFCs 中使用的離子聚合物。該材料能夠創造出一種緊密組織的介孔網絡，這如同一個納米篩，能夠將氧氣直接引導至催化劑位點，這恰恰是所需的地方。這種局部輸送不僅提升了氧氣的利用率，還顯著提高了每一點鉑的效率，使得燃料電池的整體性能得以提升。
在以往，要達到這樣的輸出通常需要堆疊昂貴的膜電極組件（MEAs）或者整個系統的過度擴大，這些選擇在經濟上並不吸引。但這種新方法提供了一種創新的解決方案，可以在不增加重量、複雜性或成本的情況下，實現高電流密度。隨著中國在 2060 年前實現碳中和的目標推進，氫能交通的發展迫在眉睫，因此低成本、高性能的燃料電池組件的需求變得越來越迫切。
減少對鉑的依賴尤其重要，因為該金屬不僅價格昂貴，還在全球供應鏈中具有地緣政治敏感性。此外，這項工程的好處並不僅限於燃料電池，COF增強的界面在其他面臨氧氣瓶頸的電化學系統中也可能發揮重要作用，比如電解槽、氨合成電池和二氧化碳還原反應器。改善氧氣的運輸也減輕了對壓縮機和加濕器等輔助系統的需求，這意味著降低操作的複雜性，對於遠程和離網應用尤其有利，尤其是在炎熱氣候中。
這一創新引起了行業專家的關注。這種方法為催化劑層的設計提供了一個多功能的框架，可能改變燃料電池以及下一代清潔能源平台的構建方式。在這個競爭激烈的行業中，面對降低成本和材料風險的挑戰，同時滿足積極的氣候目標，這一發現提供了一個實際的前進步伐，有助於氫燃料電池最終擺脫其過於複雜、過於昂貴或過於依賴稀有金屬的負面形象。該研究的結果已於 7 月 25 日發表在《Angewandte Chemie International Edition》。
