本刊推荐 | 质子交换膜燃料电池铂基催化剂研究进展

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质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种将化学能直接转化为电能的能量转换装置，具有能量密度高，利用率高、清洁安静等优点。目前，缺乏可替代铂基材料的低成本、高效阴极催化剂是限制PEMFC性能提升和成本降低的关键因素。本文综述PEMFC阴极催化剂的结构可控制备及其对阴极氧还原反应和膜电极性能的影响，阐述调控催化剂结构提高PEMFC性能的研究进展。

在过去数十年中，PEMFC取得了很大突破，贵金属负载量从超过10 mg∙cm-2降低至目前的0.1-0.4 mg∙cm-2，这归结于人们对质子交换膜燃料电池认识的不断深入和催化剂材料的发展。根据纳米粒子的形成方式及与碳载体的作用方式，燃料电池催化剂的合成方法可大致分为3大类：浸渍法，胶体法和微乳液法。

图1 碳载催化剂合成的3类化学法示意图。

当前，PEMFC仍主要采用铂基催化剂，阴极催化剂已经逐渐从Pt/C向二元铂基催化剂转变，这从丰田公司发布的Mirai氢燃料电池汽车中得到了印证。在未来的一段时间内，为进一步降低成本PEMFC将向超低铂方向发展，需要设计出性能更高的燃料电池催化剂。

另一方面，催化层的合理设计也将有助于提高催化剂的利用率，为电化学反应提供适宜的反应环境。以阴极氧还原反应为例，

O2+ 4 e-+ 4 H+→ 2 H2O

反应涉及的物种包括气态的O2、液态的H2O、以及通过固态结构传导的质子和电子，需要构筑有效的“三相界面”，使O2、质子和电子同时相遇发生氧还原反应，如图2所示。同时，生成的液态水要迅速离开以避免阻碍反应的持续进行。

图2 PEMFCs中催化层的阴极传输过程及“三相界面”结构示意图。

已经报道的具有特殊形貌和结构的新型铂基催化剂在三电极体系中有较Pt/C活性高数倍乃至数十倍的氧还原活性，但是其在MEA中活性提升有限，如何在膜电极上发挥出来是一个重要的课题。一方面，传统三电极体系辅以旋转圆盘技术作为一种快速评价催化剂氧还原动力学性能的方式，简化了催化剂的评价工序，缩短了评价时间，提高了催化剂的筛选效率；另一方面，传统三电极体系与膜电极在工作温度、工作介质、催化剂用量及催化层结构、传质等方面有很大区别。如何将三电极体系的测试结果以定量或半定量的方式与膜电极性能对应是一个挑战，也是更有效快速评价催化剂性能、指导催化剂合成的关键。以有序化膜电极为代表的新型电极结构有望成为未来高催化剂利用率、低气体传质阻力膜电极的发展方向。

作者简介

【通讯作者】黄龙，男，1988 年生，博士，硕士研究生导师。主要研究方向为能源电催化相关纳米催化剂合成及机理研究。

关于本文

引用格式：

黄龙, 徐海超, 荆碧, 李秋霞, 易伟, 孙世刚. 质子交换膜燃料电池铂基催化剂研究进展[J]. 电化学, 2022, 28(1): 2108061.

Long Huang, Hai-Chao Xu, Bi Jing, Qiu-Xia Li, Wei Yi, Shi-Gang Sun. Progress of Pt-Based Catalysts in Proton-Exchange Membrane Fuel Cells: A Review[J]. Journal of Electrochemistry, 2022, 28(1): 2108061.

DOI：

10.13208/j.electrochem.210806

http://electrochem.xmu.edu.cn/CN/10.13208/j.electrochem.210806

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