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(chē)用燃料電池。日本豐田Mirai車(chē)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(zhù)PEMFCs陰、陽(yáng)極貴金屬催化劑用量的不斷減少(Mirai的Pt載量為0.15mg·cm^?2)，催化劑的成本占比也逐漸下降。目前的高壓儲氫罐壓力最高可以達到80MPa，可以滿(mǎn)足商品化的需求。此外，包括流場(chǎng)、雙極板、空壓機、氫氣循環(huán)泵在內的附件和輔助系統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。在此基礎上，進(jìn)一步降低催化劑的用量，提高催化劑的穩定性，對增加PEMFCs商品化競爭力仍然是有價(jià)值的。

盡管PEMFCs目前的成本相比早年已顯著(zhù)下降，但想在激烈的商業(yè)競爭中超越傳統內燃機汽車(chē)，以及使用鋰離子電池為代表的電動(dòng)汽車(chē)，成本問(wèn)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(lái)源不受戰略資源的限制(我國的Pt礦藏有限)，作為PEMFCs的備用技術(shù)依然受到各國的重視。隨著(zhù)APE的性能、穩定性和機械強度的不斷提高，APEFCs的電池性能也不斷被刷新。近年來(lái)APEFCs的功率密度已經(jīng)突破3W·cm^?2，與PEMFCs的差距在不斷縮小。在此基礎上，陰、陽(yáng)極非貴金屬催化劑的性能及穩定性研究，APE的穩定性研究正成為APEFCs研究的重點(diǎn)。

本特刊專(zhuān)輯邀請了國內部分從事燃料電池研究的學(xué)者團隊，介紹他們近年來(lái)在燃料電池方面的研究進(jìn)展和總結。下面對這些研究和總結進(jìn)行扼要介紹。

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

李莉、魏子棟等2綜述了近年來(lái)堿性介質(zhì)中氫氧化反應(HOR)和析氫反應(HER)機理的相關(guān)解釋與推論，主要包括雙功能機理、氫結合能(HBE)理論和電子效應，以及對各觀(guān)點(diǎn)存在的爭議進(jìn)行總結和討論；并從理論計算的角度，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研究中的應用。

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

宋玉江等4以非金屬氮摻碳電催化劑為載體，通過(guò)引入活性物質(zhì)FeP和模板SiO2制備了具有豐富孔結構、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用現狀，重點(diǎn)闡述了表面修飾、合金化、載體效應等策略對催化劑在磷酸電解液中的氧還原反應動(dòng)力學(xué)的影響。

丁煒、魏子棟等6綜述超低鉑負載下燃料電池陰極性能的最新進(jìn)展，主要集中在開(kāi)發(fā)高活性、高利用率、高穩定的、抗溺水的新型鉑基催化劑；開(kāi)發(fā)高透氧率、疏水性新型離聚物，制備超薄質(zhì)子膜；合理設計高傳質(zhì)性能、高利用率的催化層。張存滿(mǎn)等7總結了導電填料及樹(shù)脂的性質(zhì)、改性方法等對于復合石墨極板性能的影響，并分析了分子結構以及制備工藝對于極板結構以及實(shí)用性能的影響規律。

李箐等8綜述了近年來(lái)提升質(zhì)子交換膜燃料電池氧還原反應鉑基催化劑穩定性的原理、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定性的原因及其調控原理，此外還總結了一些具有代表性的提升催化劑穩定性的策略和方法。

王得麗等9基于多年來(lái)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狀。重點(diǎn)介紹了Pt/Pd基金屬間化合物的結構特點(diǎn)、表征方法、可控制備以及其在燃料電池電催化劑中的應用。

盧善富等10對近年來(lái)高溫膜電極(HT-MEA)中磷酸的分布、動(dòng)態(tài)遷移過(guò)程的研究現狀進(jìn)行了梳理分析，對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節與優(yōu)化策略研究進(jìn)展進(jìn)行了較全面的綜述，尤其是針對磷酸降低電解質(zhì)膜力學(xué)強度、酸淹催化層、毒化催化劑和磷酸流失等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)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)同和電子效應的驅動(dòng)下實(shí)現了對甲酸氧化反應的高效催化。

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、蝕刻策略和結構演變過(guò)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和醇氧化反應的電催化性能，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試中展現出很好穩定性。 

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，總結了文獻中提出的各種HOR機理和催化劑，尤其是非PtHOR催化劑，可以到達與質(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)、催化劑結構和催化層結構之間的關(guān)系，揭示了催化劑結構對于質(zhì)子交換膜燃料電池中物質(zhì)傳輸的重要作用。此外，還總結并討論了質(zhì)子交換膜燃料電池可能的失活機理，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。

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（來(lái)源：物理化學(xué)學(xué)報）