燃料電池

莊林

武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，武漢 430072

燃料電池是一種發(fā)電裝置，它突破了卡諾循環(huán)的限制，有望獲得更高的能量利用效率。目前，使用質(zhì)子交換膜(PEM)作為電解質(zhì)的質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFCs)是最有可能商用化的車用燃料電池。日本豐田Mirai車型使用的燃料電池技術(shù)代表了目前最先進(jìn)的PEMFCs技術(shù)。隨著PEMFCs陰、陽(yáng)極貴金屬催化劑用量的不斷減少(Mirai的Pt載量為0.15 mg·cm-2)，催化劑的成本占比也逐漸下降。目前的高壓儲(chǔ)氫罐壓力最高可以達(dá)到80 MPa，可以滿足商品化的需求。此外，包括流場(chǎng)、雙極板、空壓機(jī)、氫氣循環(huán)泵在內(nèi)的附件和輔助系統(tǒng)也有了全球大量企業(yè)的研發(fā)投入，使研究者看到了PEMFCs商品化的曙光。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低催化劑的用量，提高催化劑的穩(wěn)定性，對(duì)增加PEMFCs商品化競(jìng)爭(zhēng)力仍然是有價(jià)值的。

盡管PEMFCs目前的成本相比早年已顯著下降，但想在激烈的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中超越傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，以及使用鋰離子電池為代表的電動(dòng)汽車，成本問題依舊不容忽視。使用堿性聚電解質(zhì)(APE)的堿性聚電解質(zhì)燃料電池(APEFCs)能夠使用價(jià)格低廉的非貴金屬催化劑，并且催化劑的來源不受戰(zhàn)略資源的限制(我國(guó)的Pt礦藏有限)，作為PEMFCs的備用技術(shù)依然受到各國(guó)的重視。隨著APE的性能、穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度的不斷提高，APEFCs的電池性能也不斷被刷新。近年來APEFCs的功率密度已經(jīng)突破3 W·cm-2，與PEMFCs的差距在不斷縮小。在此基礎(chǔ)上，陰、陽(yáng)極非貴金屬催化劑的性能及穩(wěn)定性研究，APE的穩(wěn)定性研究正成為APEFCs研究的重點(diǎn)。

本特刊專輯邀請(qǐng)了國(guó)內(nèi)部分從事燃料電池研究的學(xué)者團(tuán)隊(duì)，介紹他們近年來在燃料電池方面的研究進(jìn)展和總結(jié)。下面對(duì)這些研究和總結(jié)進(jìn)行扼要介紹。

李劍鋒等1綜述了拉曼光譜以及表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)(SERS)和殼層隔絕表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)(SHINERS)在燃料電池中的應(yīng)用，從拉曼光譜在電池材料表征方面到界面電催化反應(yīng)過程中中間物種分子的結(jié)構(gòu)及吸附構(gòu)型等方面的研究進(jìn)行綜合評(píng)述，并探討其未來的發(fā)展方向。

李莉、魏子棟等2綜述了近年來堿性介質(zhì)中氫氧化反應(yīng)(HOR)和析氫反應(yīng)(HER)機(jī)理的相關(guān)解釋與推論，主要包括雙功能機(jī)理、氫結(jié)合能(HBE)理論和電子效應(yīng)，以及對(duì)各觀點(diǎn)存在的爭(zhēng)議進(jìn)行總結(jié)和討論；并從理論計(jì)算的角度，介紹目前電化學(xué)界面的理論模擬方法的發(fā)展及其在HOR/HER研究中的應(yīng)用。

張進(jìn)濤等3綜述了近年來雜原子摻雜以及過渡金屬與雜原子協(xié)同摻雜碳基催化劑的設(shè)計(jì)思路及其氧還原催化活性的影響規(guī)律和燃料電池中的性能優(yōu)化等最新研究進(jìn)展，并對(duì)未來發(fā)展方向進(jìn)行了總結(jié)與展望。

宋玉江等4以非金屬氮摻碳電催化劑為載體，通過引入活性物質(zhì)FeP和模板SiO2制備了具有豐富孔結(jié)構(gòu)、較大比表面積的FeP修飾多孔聚苯胺(PANI)基非貴金屬氧還原(ORR)電催化劑，在堿性介質(zhì)中表現(xiàn)出較高的ORR活性和優(yōu)于商業(yè)Pt/C的耐久性。

楊澤惠等5綜述了鉑基催化劑、非鉑催化劑和非金屬催化劑在中高溫質(zhì)子交換膜燃料電池中的應(yīng)用現(xiàn)狀，重點(diǎn)闡述了表面修飾、合金化、載體效應(yīng)等策略對(duì)催化劑在磷酸電解液中的氧還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響。

丁煒、魏子棟等6綜述超低鉑負(fù)載下燃料電池陰極性能的最新進(jìn)展，主要集中在開發(fā)高活性、高利用率、高穩(wěn)定的、抗溺水的新型鉑基催化劑；開發(fā)高透氧率、疏水性新型離聚物，制備超薄質(zhì)子膜；合理設(shè)計(jì)高傳質(zhì)性能、高利用率的催化層。

張存滿等7總結(jié)了導(dǎo)電填料及樹脂的性質(zhì)、改性方法等對(duì)于復(fù)合石墨極板性能的影響，并分析了分子結(jié)構(gòu)以及制備工藝對(duì)于極板結(jié)構(gòu)以及實(shí)用性能的影響規(guī)律。

李箐等8綜述了近年來提升質(zhì)子交換膜燃料電池氧還原反應(yīng)鉑基催化劑穩(wěn)定性的原理、策略與方法，從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)上闡述影響催化劑穩(wěn)定性的原因及其調(diào)控原理，此外還總結(jié)了一些具有代表性的提升催化劑穩(wěn)定性的策略和方法。

王得麗等9基于多年來在有序金屬間化合物電催化劑方面的研究，綜述了貴金屬基有序金屬間化合物電催化劑的研究現(xiàn)狀。重點(diǎn)介紹了Pt/Pd基金屬間化合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、表征方法、可控制備以及其在燃料電池電催化劑中的應(yīng)用。

盧善富等10對(duì)近年來高溫膜電極(HT-MEA)中磷酸的分布、動(dòng)態(tài)遷移過程的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理分析，對(duì)HT-MEA (包括高溫聚合物電解質(zhì)膜和催化層)中磷酸分布和遷移的調(diào)節(jié)與優(yōu)化策略研究進(jìn)展進(jìn)行了較全面的綜述，尤其是針對(duì)磷酸降低電解質(zhì)膜力學(xué)強(qiáng)度、酸淹催化層、毒化催化劑和磷酸流失等關(guān)鍵科學(xué)問題。

馮立剛等11采用簡(jiǎn)便的冷凍干燥/退火還原的方法將PdNi以合金納米粒子形式分散在三維石墨烯氣凝膠(PdNi/GA)表面，在二元協(xié)同和電子效應(yīng)的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)了對(duì)甲酸氧化反應(yīng)的高效催化。

夏寶玉等12簡(jiǎn)要綜述了鉑基納米框架電催化劑的最新進(jìn)展，介紹了不同的鉑基納米框架的制備、蝕刻策略和結(jié)構(gòu)演變過程，還重點(diǎn)討論了鉑基納米框架在直接醇燃料電池中氧還原反應(yīng)和醇氧化反應(yīng)的電催化性能，主要包括鉑基納米框架的催化活性、抗中毒能力和耐久性。

蘇華能等13制備了一種席夫堿型(SNW-1)共價(jià)有機(jī)框架(COF)材料并將其加入到的電極催化層中，由于COF的良好的磷酸保留能力和質(zhì)子轉(zhuǎn)移能力減少了膜電極(MEA)中的磷酸流失，該催化層摻雜共價(jià)有機(jī)框架材料的高溫聚電解質(zhì)膜燃料電池在電池加速老化測(cè)試中展現(xiàn)出很好穩(wěn)定性。

莊仲濱等14綜述了堿性膜燃料電池陽(yáng)極催化劑的研究進(jìn)展，總結(jié)了文獻(xiàn)中提出的各種HOR機(jī)理和催化劑，尤其是非Pt HOR催化劑，可以到達(dá)與質(zhì)子膜燃料電池接近的成本水平。

胡勁松等15綜述了基于金屬-氮-碳催化劑的質(zhì)子交換膜燃料電池性能與活性位點(diǎn)、催化劑結(jié)構(gòu)和催化層結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，揭示了催化劑結(jié)構(gòu)對(duì)于質(zhì)子交換膜燃料電池中物質(zhì)傳輸?shù)闹匾饔?。此外，還總結(jié)并討論了質(zhì)子交換膜燃料電池可能的失活機(jī)理，包括脫金屬作用，氮物種的質(zhì)子化，碳載體腐蝕和孔道水淹等，以及目前發(fā)展的可能的解決方案。