氢能因其清洁和可持续发展的特性受到了广泛关注。燃料电池，特别是质子交换膜燃料电池（PEMFCs），在氢能的利用中发挥着重要的作用，被认为是在住宅、交通和便携式应用中的一种很有前途的清洁能源转换设备。然而，PEMFCs严重依赖于铂族金属催化剂（PGM）和耐酸双极板，从而大大增加了成本，限制了其大规模商业化的过程。碱性膜燃料电池（HEMFCs）作为一种替代技术，类似于PEMFCs，但在碱性条件下工作，其潜力在于可以使用低成本无氟膜、不锈钢双极材料和无PGM催化剂而引起广泛关注。然而，在膜电极（MEA）测试中，HEMFCs与PEMFCs在性能方面仍然存在一定差距。这可能是由于PEMFCs和HEMFCs中使用的离聚物不同，三相位点（TPBs）的结构差异导致的。对于HEMFCs使用的离聚物与催化剂纳米颗粒之间的相互作用研究很少，并且TPBs在HEMFCs中的形成机制尚不清楚。了解HEMFC中MEAs的TPBs的形成和结构是进一步开发高性能HEMFCs的必要条件。

本工作通过对三种商业Pt/C在HEMFCs中的性能表现进行系统性研究，并与PEMFCs进行了比较。通过改变催化层中离聚物与催化剂碳载体的比例（I/C比），制备了一系列HEMFCs和PEMFCs的MEA，收集燃料电池的极化曲线和功率密度曲线用于探究I/C比对于电池性能的影响，总结规律并分析离聚物与催化剂界面情况。使用交流阻抗谱分析离聚物含量变化对MEA催化剂活性、传质等因素对电池总阻抗变化的贡献。进一步利用分子模拟方法对碱性、酸性离聚物在催化剂上的分布进行模拟，探究碱性离聚物与催化剂界面特点并分析其与酸性离聚物-催化剂界面的不同之处。

以离聚物含量对HEMFCs和PEMFCs的影响的不同规律为切入点，分析探讨了碱性离聚物-催化剂界面特点。燃料电池测试结果表明，应用于HEMFCs的PAP-TP-85碱性离聚物含量对电池性能影响不明显，I/C比从45%变化至90%的过程中，电池性能改变范围不超过15%。而应用于PEMFCs的Nafion酸性离聚物含量则显著影响电池性能，随着I/C比的增加电池性能展现出先上升后下降的特点。这暗示了碱性离聚物与酸性离聚物不同的离聚物-催化剂界面存在明显差异。

交流阻抗谱与等效电路拟合分析表明，HEMFCs与PEMFCs阴极侧ORR动力学阻抗值随离聚物含量变化的趋势不同，即离聚物对于ORR动力学阻抗在HEMFC中影响不明显而PEMFC中影响显著。这表明证明了不同种类的的离聚物对TPBs的形成有显著的影响，进而影响电池性能。使用分子动力学（MD）对离聚物在催化剂表面的分布进行模拟，结果表明碱性离聚物PAP-TP-P-85更倾向于在碳载体上进行覆盖，对于铂纳米颗粒的覆盖度变化不大，因而I/C比对HEMFC是性能影响不大；而酸性离聚物Nafion在铂纳米颗粒上有较高的覆盖度，覆盖度的增加导致形成更多的TPBs增加PEMFCs性能，但过高的覆盖度会遮盖活性位点，PEMFCs性能将明显下降。电解液中ORR的毒化实验表明，离聚物中的官能团对Pt位点的作用不同，是导致形成不同的离聚物-催化剂界面的原因。说明对于HEMFCs，需要提升离聚物与催化剂纳米颗粒之间的作用力，以形成更多TPBs提升电池性能。本工作对提升HEMFCs性能提供了思路。

图1 不同I/C比下HEMFCs在0.65 V下的电流密度和峰值功率密度。

庄仲滨，北京化工大学教授，博士生导师。2001~2010年在清华大学化学系学习，分别获得化学专业学士、博士学位。随后在美国加州大学河滨分校和美国特拉华大学从事博士后研究。2015加入北京化工大学化工学院任教授。主要围绕燃料电池、电解水等与能源相关的电化学器件展开研究，开发新型电催化材料、深入了解电极过程机制。以通讯作者、共同通讯作者身份在Nat. Catal., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Chem等期刊发表论文50余篇，连续四年（2020~2023）入选科睿唯安“高被引科学家”。

李瑞宇，德国亚琛工业大学机械工程（氢能与燃料电池方向）博士，德国亚琛工大borchers-platte奖章获得者，现任氢新科技（深圳）有限公司燃料电池技术总监。研究方向为：燃料电池与电解水新型核心材料研究与器件量产工艺开发。

李晖，北京化工大学教授，博士生导师。2008年在南京大学理论和计算研究所获得理论化学专业博士学位，分别于2008-2009年和2009-2012年在新加坡国立大学和美国内布拉斯加大学林肯分校做博士后，2012年加入中科院物理研究所任副研究员，2017年成为北京化工大学软物质科学与工程高精尖创新中心教授。主要利用“第一性原理理论模拟”研究“气液固界面”的微观结构、热力学性质和动力学行为。专注于表界面体系的动力学性质，开展表面水的浸润、扩散、相变等行为的原理和应用研究，并取得了一系列原创性研究成果，包括：建立描述低维材料浸润度的广义模型；发现了纳米受限液体的铁电性、量子化纳米水流、反常二维相变、离子选择性输运等奇特行为；构建了精确亲水气溶胶成核模型等，在亲疏水功能材料设计、分子器制造、仿生离子通道、高效过滤膜、防冻自清洁材料、气溶胶和雾霾治理等领域有重要启示。

Liu X, Wang X, Zhang C, et al. The difference of the ionomer–catalyst interfaces for poly(aryl piperidinium) hydroxide exchange membrane fuel cells and proton exchange membrane fuel cells. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6584-7 

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