燃料电池

庄林

武汉大学化学与分子科学学院，武汉 430072

燃料电池是一种发电装置，它突破了卡诺循环的限制，有望获得更高的能量利用效率。目前，使用质子交换膜(PEM)作为电解质的质子交换膜燃料电池(PEMFCs)是最有可能商用化的车用燃料电池。日本丰田Mirai车型使用的燃料电池技术代表了目前最先进的PEMFCs技术。随着PEMFCs阴、阳极贵金属催化剂用量的不断减少(Mirai的Pt载量为0.15 mg·cm-2)，催化剂的成本占比也逐渐下降。目前的高压储氢罐压力最高可以达到80 MPa，可以满足商品化的需求。此外，包括流场、双极板、空压机、氢气循环泵在内的附件和辅助系统也有了全球大量企业的研发投入，使研究者看到了PEMFCs商品化的曙光。在此基础上，进一步降低催化剂的用量，提高催化剂的稳定性，对增加PEMFCs商品化竞争力仍然是有价值的。

尽管PEMFCs目前的成本相比早年已显著下降，但想在激烈的商业竞争中超越传统内燃机汽车，以及使用锂离子电池为代表的电动汽车，成本问题依旧不容忽视。使用碱性聚电解质(APE)的碱性聚电解质燃料电池(APEFCs)能够使用价格低廉的非贵金属催化剂，并且催化剂的来源不受战略资源的限制(我国的Pt矿藏有限)，作为PEMFCs的备用技术依然受到各国的重视。随着APE的性能、稳定性和机械强度的不断提高，APEFCs的电池性能也不断被刷新。近年来APEFCs的功率密度已经突破3 W·cm-2，与PEMFCs的差距在不断缩小。在此基础上，阴、阳极非贵金属催化剂的性能及稳定性研究，APE的稳定性研究正成为APEFCs研究的重点。

本特刊专辑邀请了国内部分从事燃料电池研究的学者团队，介绍他们近年来在燃料电池方面的研究进展和总结。下面对这些研究和总结进行扼要介绍。

李剑锋等1综述了拉曼光谱以及表面增强拉曼光谱技术(SERS)和壳层隔绝表面增强拉曼光谱技术(SHINERS)在燃料电池中的应用，从拉曼光谱在电池材料表征方面到界面电催化反应过程中中间物种分子的结构及吸附构型等方面的研究进行综合评述，并探讨其未来的发展方向。

李莉、魏子栋等2综述了近年来碱性介质中氢氧化反应(HOR)和析氢反应(HER)机理的相关解释与推论，主要包括双功能机理、氢结合能(HBE)理论和电子效应，以及对各观点存在的争议进行总结和讨论；并从理论计算的角度，介绍目前电化学界面的理论模拟方法的发展及其在HOR/HER研究中的应用。

张进涛等3综述了近年来杂原子掺杂以及过渡金属与杂原子协同掺杂碳基催化剂的设计思路及其氧还原催化活性的影响规律和燃料电池中的性能优化等最新研究进展，并对未来发展方向进行了总结与展望。

宋玉江等4以非金属氮掺碳电催化剂为载体，通过引入活性物质FeP和模板SiO2制备了具有丰富孔结构、较大比表面积的FeP修饰多孔聚苯胺(PANI)基非贵金属氧还原(ORR)电催化剂，在碱性介质中表现出较高的ORR活性和优于商业Pt/C的耐久性。

杨泽惠等5综述了铂基催化剂、非铂催化剂和非金属催化剂在中高温质子交换膜燃料电池中的应用现状，重点阐述了表面修饰、合金化、载体效应等策略对催化剂在磷酸电解液中的氧还原反应动力学的影响。

丁炜、魏子栋等6综述超低铂负载下燃料电池阴极性能的最新进展，主要集中在开发高活性、高利用率、高稳定的、抗溺水的新型铂基催化剂；开发高透氧率、疏水性新型离聚物，制备超薄质子膜；合理设计高传质性能、高利用率的催化层。

张存满等7总结了导电填料及树脂的性质、改性方法等对于复合石墨极板性能的影响，并分析了分子结构以及制备工艺对于极板结构以及实用性能的影响规律。

李箐等8综述了近年来提升质子交换膜燃料电池氧还原反应铂基催化剂稳定性的原理、策略与方法，从热力学和动力学上阐述影响催化剂稳定性的原因及其调控原理，此外还总结了一些具有代表性的提升催化剂稳定性的策略和方法。

王得丽等9基于多年来在有序金属间化合物电催化剂方面的研究，综述了贵金属基有序金属间化合物电催化剂的研究现状。重点介绍了Pt/Pd基金属间化合物的结构特点、表征方法、可控制备以及其在燃料电池电催化剂中的应用。

卢善富等10对近年来高温膜电极(HT-MEA)中磷酸的分布、动态迁移过程的研究现状进行了梳理分析，对HT-MEA (包括高温聚合物电解质膜和催化层)中磷酸分布和迁移的调节与优化策略研究进展进行了较全面的综述，尤其是针对磷酸降低电解质膜力学强度、酸淹催化层、毒化催化剂和磷酸流失等关键科学问题。

冯立刚等11采用简便的冷冻干燥/退火还原的方法将PdNi以合金纳米粒子形式分散在三维石墨烯气凝胶(PdNi/GA)表面，在二元协同和电子效应的驱动下实现了对甲酸氧化反应的高效催化。

夏宝玉等12简要综述了铂基纳米框架电催化剂的最新进展，介绍了不同的铂基纳米框架的制备、蚀刻策略和结构演变过程，还重点讨论了铂基纳米框架在直接醇燃料电池中氧还原反应和醇氧化反应的电催化性能，主要包括铂基纳米框架的催化活性、抗中毒能力和耐久性。

苏华能等13制备了一种席夫碱型(SNW-1)共价有机框架(COF)材料并将其加入到的电极催化层中，由于COF的良好的磷酸保留能力和质子转移能力减少了膜电极(MEA)中的磷酸流失，该催化层掺杂共价有机框架材料的高温聚电解质膜燃料电池在电池加速老化测试中展现出很好稳定性。

庄仲滨等14综述了碱性膜燃料电池阳极催化剂的研究进展，总结了文献中提出的各种HOR机理和催化剂，尤其是非Pt HOR催化剂，可以到达与质子膜燃料电池接近的成本水平。

胡劲松等15综述了基于金属-氮-碳催化剂的质子交换膜燃料电池性能与活性位点、催化剂结构和催化层结构之间的关系，揭示了催化剂结构对于质子交换膜燃料电池中物质传输的重要作用。此外，还总结并讨论了质子交换膜燃料电池可能的失活机理，包括脱金属作用，氮物种的质子化，碳载体腐蚀和孔道水淹等，以及目前发展的可能的解决方案。