质子交换膜燃料电池（PEMFC）是清洁能源转换的核心装置，其性能瓶颈长期受限于质子导体的传输效率与稳定性。近日，刘百玲教授、李阳光教授、臧宏瑛教授等东北师范大学和长春理工大学合作团队，在国际顶刊《Angewandte Chemie International Edition》发表题为Structural Effects in Polyoxometalate‐Based Supramolecular Assemblies for Enhanced Proton Conduction的研究论文。该团队通过水相自组装策略合成BPN超分子簇质子导体，实现了“高传导率-低活化能-强稳定性”的协同，为下一代PEMFC关键材料设计提供了模块化新路径。

一、文献背景（分点解析）

1. 研究意义

质子导体是PEMFC的“核心骨架”，其电荷辅助氢键网络的精准度直接决定电池的能量转换效率与服役寿命。开发兼具高质子传导率、低传输能垒与宽环境耐受性的质子导体，是推动PEMFC向便携式电子设备、小型分布式电源等场景实用化的关键，对实现“双碳”目标具有重要支撑作用。

2. 研究现状

当前质子导体研究存在两大核心局限：①多数研究仅关注材料整体离子传导率，忽略局部质子传输的微观异质性（如不同吸附位点的迁移速率差异），导致无法从分子层面优化传导路径；②传统材料难以平衡“三性能”——MOF基质子导体湿度敏感性强、离子omer体系质子通道因相分离受湿度制约，均无法同时满足高传导率、低活化能与长期稳定性的需求。

3. 科学问题

如何通过分子级结构设计，构建具有可编程质子传输路径的质子导体，同时实现高传导率、低活化能与优异环境稳定性的协同？如何揭示超分子组装体中局部位点质子传输的动态差异，为材料设计提供明确的机制支撑？

4. 研究创新

首次通过水相自组装策略，将[Bi₆O₅(OH)₃]⁵⁺铋氧簇与[PW₁₂O₄₀]³⁻多金属氧酸盐（POM）结合，形成BPN超分子簇材料（化学式：[Bi₆O₅(OH)₃]₂.₂₄[PW₁₂O₄₀][NO₃]₂.₄[H₃O]₅.₈）。该设计利用“铋氧簇提升质子迁移率+POM稳定传输过渡态”的协同作用，搭配动态氢键网络，突破了传统均质材料的性能局限。

二、实验部分

1. 材料合成

通过铋硝酸盐水解（pH=1-3）制备质子化铋氧簇[Bi₆O₅(OH)₃]⁵⁺，再与[PW₁₂O₄₀]³⁻（HPW）通过电荷辅助氢键自组装，生成BPN超分子簇；

2. 结构与机制表征

采用分子动力学（MD）模拟分析自组装过程与质子传输路径，密度泛函理论（DFT）计算质子转移能垒；通过¹H魔角旋转核磁共振（¹H MAS NMR）解析质子动态行为，X射线吸收光谱（XAS）表征W的价态与配位环境，结合FT-IR、Raman、HRTEM/STEM验证超分子结构；

3. 性能测试

电化学阻抗法测试不同温度（25-90℃）、湿度（45%-97% RH）下的质子传导率；循环伏安法（CV）评估抗氧化稳定性；制备BPN-Nafion复合膜，在80℃、1 M甲醇工况下测试直接甲醇燃料电池（DMFC）的开路电压（OCV）与功率密度。

三、核心研究结果

（一）关键结构特征：超分子组装的层级有序性

BPN通过“电荷辅助氢键+静电互补”形成稳定的层级结构，为质子传输提供连续通道。MD模拟显示，铋氧簇以面心立方模式围绕POM排列（类似萤石（CaF₂）晶体堆积），硝酸根离子维持体系电荷中性，确保结构热力学稳定。