一周精读 | 北理工首次构筑燃料电池多孔离聚物；上科大合作研究成果揭示生物界中RNA加帽新机制 _核糖核酸

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铯原子钟可以做到一亿年只有1秒的误差。现在科学家们又开发了锶、镱等新型原子钟，它们的频率要更高，在光学波段，因此被称作“光学原子钟” ，简称“光钟” 。光钟的测量精度现在已经可以做到千亿亿分之一，即10-19 ，在整个宇宙年龄的时间尺度上，误差还不到1秒。上图便为实际的光钟。
实现了精度10-19的时间标准，该如何实现精度10-19的时间传递呢？近日，中国科学技术大学团队基于光梳技术成功实现了自由空间中相距113公里的时频传递，精度达到10-19水平，满足了目前最高精度光钟的需求。

Science发表！突破固有思维，北理工首次构筑燃料电池多孔离聚物
2022年10月14日，北京理工大学王博教授团队在Science上发表文章“Covalent organic framework-based porous ionomers for high-performance fuel cells” ，在氢能领域针对燃料电池核心膜电极（MEA）气固液三相界面中离子导通，气、水输运和电催化的问题，首次提出并构筑了适用于燃料电池催化层的多孔共价有机框架（COF）离聚物。多孔框架离聚物（Porous Ionomer）概念的提出突破了传统链状离聚物的束缚，可显著提高催化层的传质效率，大幅提高燃料电池的功率密度，使得铂碳（Pt/C）催化剂的质量活性和燃料电池的峰值功率密度均提高了1.6倍。
该工作的第一作者为北京理工大学化学与化工学院博士后张庆暖，通信作者为王博和冯霄，北京理工大学是该工作的第一作者和唯一通讯作者单位。

碳中和目标下，发展氢能技术已成为必然趋势。质子交换膜燃料电池作为氢能规模利用的端口，是最有应用前景的氢能利用方式之一。而实现质子交换膜燃料电池技术发展和大规模应用的关键在于开发高性能、低成本的膜电极材料。催化层由Pt/C催化剂和离聚物构成的，其作为膜电极的核心，是燃料电池中电化学反应发生的场所。为保证电化学反应的效率，催化层需要同时为反应所需的质子、反应气体提供可以到达催化剂的通道，同时能够输运反应生成的水分子。目前，催化层中使用的离聚物为链状全氟磺酸树脂（PFSA ， Nafion），可实现质子的快速传导。但与此同时， Nafion会对Pt催化剂造成过度包裹，导致较大的气体阻力和低的催化活性位点利用率，从而导致催化剂性能无法得到充分发挥。

针对上述问题，论文作者提出构筑多孔框架离聚物的策略，优化催化剂表面的气固液三相界面，实现了高性能低铂含量的质子交换膜燃料电池系统的开发。作者在框架化学的指导下，将有机基元通过共价键连接，精准定制合成了多孔框架二维聚合物，具有良好的化学稳定性、热稳定性和抗溶胀能力。所得的二维聚合物平面结构，由六边形骨架在二维方向上无限周期性延展组成，在六边形骨架内部利用磺酸基悬臂提供高的质子传导能力，其剩余的空间能够为氧气和水提供足够的通路促进传输。在使用商用Pt/C作为阴极催化剂，且催化剂含量仅有0.07 mgPt cm?2的条件下，采用多孔COF离聚物使得Pt/C催化剂的质量活性和燃料电池的峰值功率密度均提高了1.6倍， H2-Air峰值功率密度达到1.08 W cm?2 。

图1.燃料电池中Pt/C@COF-Nafion催化层及其作用机理示意图
文章中详细探讨了多孔COF离聚物在燃料电池催化层中的作用机制，分析了介孔COF纳米片对催化层中气体扩散、质子传输和水管理的影响。相较传统的链状离聚物，多孔COF离聚物具有以下优势：

1）利于气体传质。添加多孔COF离聚物后， H2-air电池中极限电流密度下O2的传质阻力降低了40% 。氧气渗透测试表明， COF与Nafion混合基质膜的氧气渗透性比纯Nafion膜有了显著提升，并可以在湿度下仍维持气体通过能力。

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