近日，我院臧宏瑛教授团队在多金属氧簇质子导体方向取得系列重要研究进展。质子传导膜作为质子交换膜燃料电池、电解水制氢装置、液流储能电池等新能源器件的核心主材，承担质子定向输运、阻断电子跨膜导通、隔离两极反应原料的关键作用，是制约氢能与电化学储能产业发展的关键卡脖子材料。现有商用质子膜难以兼顾高功率密度与长期服役稳定性，且微观质子传导机理仍有待厘清，新型分子基多孔材料成为突破现有技术壁垒的重要突破口。多年来，研究团队深耕分子结构精准可控的多金属氧簇基质子导体定向合成与传导性能系统研究，近5年累计在国际化学领域顶尖期刊刊发论文7篇，相关研究成果为我国新一代氢能器件的研发奠定了重要材料与理论基础。

研究团队联合东华大学宣为民研究员、英国剑桥大学 David Fairen-Jimenez 教授科研团队，通过尺寸匹配氢键作用解决传统多金属氧酸盐-阳离子组装体非多孔难题，成功制备系列多孔多金属氧簇-有机框架（POFs）。通过原位咪唑鎓引入与后合成磺化分步功能化，构建含高密度质子传导位点的一维通道，将其与Nafion复合制备成复合膜，质子传导率较纯 Nafion提升84%，燃料电池峰值功率密度达1367 mW·cm⁻²（提升 133%），且具备优异长期稳定性与耐氧化性能。相关成果以“Cation-directed assembly and sequential functionalization enable superprotonic polyanion–organic frameworks for high-power fuel cells”为题，发表于Nat. Chem. 2026, https://doi.org/10.1038/s41557-026-02169-8。

图 1 POF1 与 POF2 的合成路线及多孔结构

臧宏瑛教授与李阳光教授、刘百玲副教授（长春理工大学）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。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。其BPN-Nafion复合膜在直接甲醇燃料电池中的优异表现，为便携式电子、无人机等场景的清洁能源装置提供关键材料支撑。相关成果以“Structural Effects in Polyoxometalate-Based Supramolecular Assemblies for Enhanced Proton Conduction”为题，发表于Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202517958。

图2. Bi₆O₅(OH)₃]⁵⁺与[PW₁₂O₄₀]³⁻超分子簇合物基质子导体材料.

臧宏瑛教授与吉林大学苏忠民教授合作报道了首例通过模板导向法合成的类似Anderson拓扑构型的In3+/Cu2+异金属氧簇{InCu6}。密度泛函理论计算表明，In3+中心的引入显著降低了簇表面氧位点上的质子脱附能垒。{InCu6}的质子传导性能优于目前已报道的大多数异金属氧簇。另外，基于上述质子传导单元的设计，设计合成新型阳离子聚合物PVA-CTPP+Br-作为基质，通过静电相互作用实现{InCu6}的均匀分散，解决了无机簇与聚合物的界面兼容性问题。通过将其与{InCu6}复合，制备了均匀的复合膜PVA-CTPP+-{InCu6}。基于该复合膜的湿度梯度发电机（HGPG）在室温和92%相对湿度下实现了0.63 V的开路电压和14.3 μA cm-2的电流密度，并且在高温湿环境下表现出优异的稳定性。为开发高性能、稳定的质子传导材料及HGPG器件提供了一种可行的材料设计与复合策略。相关成果以“Rational Design of a {InCu6} Heterometallic Oxo Cluster for Superior Proton Conduction: Mechanistic Insights and Humidity Gradient-Based Power Generation”为题，发表于Angew. Chem. Int. Ed. 2026, DOI: 10.1002/anie.6584076。

图3. {InCu6}与改性PVA复合膜用于湿度发电膜。

臧宏瑛教授与吉林大学梁嵩教授合作利用霍夫梅斯特静电协同策略，让同多钼氧簇[Mo₇O₂₄]⁶⁻与Fe³⁺在“盐溶”阴离子水溶液中一步形成无机水凝胶，室温质子电导率突破 0.1 S cm⁻¹，−20 ℃仍保持 10⁻² S cm⁻¹；凭借超低的 0.104 eV 激活能，团队制备出工作温区 −20~60 ℃、灵敏度高达 −12.15% °C⁻¹ 的可回收温度传感器，并在手机电池热失控原型系统中实现实时火情预警。相关成果以“Proton Superhighways Enabled by Hofmeister-Electrostatic Synergy in All-Inorganic Polyoxometalate Hydrogels for Electronics”为题，发表于Adv. Mater. 2026, 38, e15892。

臧宏瑛教授与格拉斯哥大学龙德良研究员合作提出了“分子编辑”策略，通过配体工程调控，实现Dawson型团簇从零维到三维结构的可控演化。其研发的PW-Apa(3)材料质子传导性能较传统材料提升20倍，可制备多模态离子皮肤传感器，精准检测形变与湿度变化，为仿生智能传感材料研发提供了新路径。相关成果以“Covalent Functionalization of Dawson-Type Polyoxometalates to Achieve a Zero to Three-Dimensional Transition for Enhanced Proton Conductivity”为题，发表于J. Am. Chem. Soc. 2026, 10.1021/jacs.6c04785。

图4.分子编辑策略构筑高传导率仿生离子感应皮肤。

相关论文的链接网址：

https://www.nature.com/articles/s41557-026-02169-8

https://doi.org/10.1002/anie.202517958

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.6584076

https://doi.org/10.1002/adma.202515892

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.6c04785