近日，燃料電池研究所章俊良教授團(tuán)隊(duì)在Nano-Micro Letters上發(fā)表綜述“Revealing the Oxygen Transport Challenges in Catalyst Layers in Proton Exchange Membrane Fuel Cells and Water Electrolysis”，針對(duì)氫能轉(zhuǎn)化利用過程中質(zhì)子交換膜燃料電池、電解水的氧氣傳輸過程進(jìn)行了系統(tǒng)、深入的分析與展望。博士后李慧媛為論文第一作者，章俊良教授、沈水云教授為共同通訊作者。
質(zhì)子交換膜燃料電池和電解水氧氣傳輸機(jī)理與電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化
質(zhì)子交換膜燃料電池和電解水結(jié)構(gòu)及其在氫能轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用
氫能作為一種優(yōu)質(zhì)的二次能源，在能源存儲(chǔ)和利用中具有重要的應(yīng)用潛力。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）和電解水（PEMWE）系統(tǒng)在能源轉(zhuǎn)換過程中扮演著不同的角色，共同推動(dòng)可持續(xù)能源技術(shù)在該領(lǐng)域的發(fā)展。然而，高成本仍是限制其大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展的主要瓶頸，系統(tǒng)核心部件膜電極（MEA）中Pt和Ir等貴金屬催化劑是高成本的主要來源。目前，研究者在降低催化劑載量方面取得了一定的進(jìn)展，但隨之帶來的氧氣傳質(zhì)問題加劇，仍是亟待解決的關(guān)鍵難題。
質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)量傳輸示意圖
文章綜述了質(zhì)子交換膜燃料電池電極孔隙結(jié)構(gòu)中的氧氣體相傳質(zhì)和三相界面上的氧氣局域傳質(zhì)機(jī)理，有效孔隙結(jié)構(gòu)是影響體相傳質(zhì)的主要因素，而界面上離聚物的結(jié)構(gòu)和分布形態(tài)、離聚物和碳載體之間的相互作用是影響局域傳質(zhì)阻力的主要原因。在質(zhì)子交換膜燃料電池的低鉑化進(jìn)程中，由于催化層（CCL）催化位點(diǎn)的減少，局域傳質(zhì)阻力急劇增加，成為限制因素，因此，針對(duì)低鉑質(zhì)子交換膜燃料電池的高效、穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要分為以下四個(gè)策略：一是通過調(diào)控“離聚物-碳載體”界面相互作用，促進(jìn)離聚物的分布更均勻；二是通過增強(qiáng)界面的質(zhì)子傳導(dǎo)減少離聚物含量，從而減小離聚物的厚度；三是通過開發(fā)高透氧離聚物，增加離聚物的氧氣傳輸能力；四是通過精準(zhǔn)的納米孔隙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，形成離聚物結(jié)構(gòu)中的高效氧氣傳輸通道。
質(zhì)子交換膜電解水的氧氣傳輸機(jī)理
質(zhì)子交換膜電解水具有效率高、環(huán)境友好、操作安全等優(yōu)勢(shì)，在綠氫需求持續(xù)增加的背景下具有廣泛的應(yīng)用前景。其膜電極結(jié)構(gòu)和PEMFC相似，隨著陽極催化層（ACL）貴金屬催化劑載量的降低，催化位點(diǎn)產(chǎn)生的氧氣無法及時(shí)排出，限制了產(chǎn)物水到達(dá)催化位點(diǎn)，導(dǎo)致電解效率下降。陽極催化劑界面產(chǎn)生的氧氣在低電流密度時(shí)以溶解氧的形式存在，在高電流密度時(shí)以氣泡氧的形式存在，對(duì)于孔隙結(jié)構(gòu)中的體相氧氣傳輸，溶解氧從水中轉(zhuǎn)移，氣泡氧在水中以兩相流的形式轉(zhuǎn)移，增大孔隙尺寸有利于提高氧氣傳輸?shù)男省?duì)于反應(yīng)界面離聚物中的局域氧氣傳輸，溶解氧取決于離聚體的氧氣傳輸能力，氣泡氧可以通過“離聚體-催化劑團(tuán)聚體”的裂縫進(jìn)行傳輸。因此，通過調(diào)整離聚體的分布，構(gòu)筑離聚體中有效的氣泡運(yùn)輸通道，設(shè)計(jì)電極結(jié)構(gòu)中具有高效氧氣傳輸和質(zhì)子傳導(dǎo)能力的團(tuán)聚體模型，是增強(qiáng)PEMWE氧氣傳輸?shù)闹匾緩健Ｓ捎谙嗨频目紫督Y(jié)構(gòu)和界面調(diào)節(jié)機(jī)制，更先進(jìn)的PEMFC研究路線可為PEMWE的氧氣傳輸研究提供一定的啟發(fā)。研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助。
論文鏈接：https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-025-01719-y
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