質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFCs）是一種前景廣闊的高效清潔能源轉(zhuǎn)換技術(shù)。其中，提升陰極氧還原反應(yīng)（ORR）效率對整體性能至關(guān)重要。
除催化劑本征活性外，催化劑層（CLs）內(nèi)氧-水-催化劑三相邊界（TPB）的質(zhì)量傳輸顯著影響ORR動力學(xué)。CLs中離聚物兼具粘結(jié)與質(zhì)子傳導(dǎo)功能，促進(jìn)催化劑分散并降低CL與PEM間界面阻力，直接決定Pt利用率與活性。
2025年9月4日，北京理工大學(xué)馮霄在國際知名期刊Chemical Society Reviews上發(fā)表題為《Three-phase microenvironment modification by optimizing ionomer towards high-performance proton exchange membrane fuel cells》的綜述論文，Jie Li、Qianli Ma為論文第一作者，馮霄為論文通訊作者。
目前，線性高分子離聚物因其高質(zhì)子傳導(dǎo)率而被廣泛采用，但是其致密鏈段往往阻礙氧氣到達(dá)催化位點(diǎn)，且缺乏有效的水管理能力。
為突破上述局限，最新研究聚焦于通過離聚物結(jié)構(gòu)定制來優(yōu)化三相微環(huán)境。本文首先闡述離聚物內(nèi)質(zhì)子、水與氣體的傳輸機(jī)制；隨后介紹用于評估催化劑活性、微環(huán)境及CLs內(nèi)傳質(zhì)的表征技術(shù)；接著重點(diǎn)梳理通過離聚物結(jié)構(gòu)調(diào)控、添加劑引入及CL理性設(shè)計來優(yōu)化Pt/離聚物界面的新興策略，特別聚焦開放骨架離聚物在強(qiáng)化傳質(zhì)與實現(xiàn)Pt最大化利用方面的顯著優(yōu)勢。
最后，作者展望離聚物開發(fā)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，強(qiáng)調(diào)機(jī)理認(rèn)知與性能提升并重。期待離聚物研究的持續(xù)進(jìn)展為下一代材料鋪平道路，最終提升氫燃料電池的實用性與商業(yè)化競爭力。
圖1：質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFCs）結(jié)構(gòu)示意圖，插圖展示典型的三相邊界（TPB）界面。
圖2：質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFCs）離聚物的發(fā)展歷程。
圖3：全氟磺酸（PFSA）納米結(jié)構(gòu)示意圖。（A）PFSA的化學(xué)結(jié)構(gòu)；（B）PFSA的質(zhì)子傳輸機(jī)制示意；（C）從干態(tài)到溶液/分散態(tài)的相分離演化模型。
圖4：離聚物薄膜的形貌與納米結(jié)構(gòu)。（A）Pt/C表面離聚物層的3D渲染圖及局部厚度放大圖（標(biāo)尺20 nm）；（B）不同采樣與計算方法獲得的離聚物層厚度分布；（C）親水性界面處Nafion薄膜示意圖，呈現(xiàn)片狀層理及體相外層；（D）100%相對濕度下不同厚度Nafion薄膜的GISAXS圖樣，50 nm與160 nm薄膜出現(xiàn)典型離聚物峰；（E）形貌演化示意圖；（F）“流道-儲庫”模型3D示意。
圖5：常用電化學(xué)測試方法。（A）電流-電壓（I–V）極化曲線；（B）典型電化學(xué)阻抗譜；（C）PEMFC常見DRT（分布弛豫時間）圖；（D）循環(huán)伏安曲線；（E）CO溶出曲線；（F）0.4 V下典型CO置換曲線；（G）H2-N2條件下的常用電化學(xué)阻抗；（H）由H2-O2與H2-空氣極化曲線獲得的OGV圖；（I）燃料電池中的反應(yīng)極化電阻（RP）與傳質(zhì)極化電阻（RNP）。
綜上，本綜述圍繞質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）催化劑層中氧-水-催化劑三相界面處的傳質(zhì)瓶頸問題，系統(tǒng)探討了通過優(yōu)化離子聚合物（ionomer）結(jié)構(gòu)來調(diào)控三相微環(huán)境，從而提升電池性能的策略。
