燃料电池与氢能的关键材料

“燃料电池是一种非常重要的高能量密度电池体系，在军用、民用等领域有很好的应用前景。”在北京地区广受关注学术成果系列报告会（新能源新材料领域）上，国家杰出青年科学基金学者、北京大学博雅特聘教授郭少军表示。

燃料电池的前景与应用

“目前，我国能源格局以化石能源为主，占比87%左右，新能源仅占比13%左右。”郭少军说。而碳达峰、碳中和的提出，以及推动清洁能源安全高效利用，加快新能源、绿色环保等产业发展，为燃料电池的发展提供了契机。

其实，燃料电池历史悠久。早在1839年，英国科学家威廉·格罗夫爵士就进行了燃料电池的实验。燃料电池的现代发展史起始于20世纪60年代初期，NASA率先将燃料电池应用于航空航天领域，并且至今仍是航空航天领域的重要电源。

在军用领域，像可穿戴电源、无人机、潜艇等方面，燃料电池都拥有很大的潜力。民用领域中，2020年投入使用的世界第一条氢燃料电池列车阿尔斯通Coradia iLint 已经取得较好的效果。此外，目前燃料电池最重要的应用是在新能源汽车领域，氢燃料电池是与锂电池并行的技术路线。燃料电池主要是靠氢气和氧气作为燃料，将氢气和氧气的化学能直接转化为电能。与锂电池相比，燃料电池能量密度高，使用燃料电池的汽车，在较好情况下可以跑八九百千米，甚至1000千米。此外，当氢耗尽时，加氢也非常快，几分钟就可以加满。

燃料电池的关键技术

燃料电池的研发是一项很大的系统性工程。郭少军介绍了他所研究的重点：“如何清洁制备氢气？”“如何高效利用氢气？”这两个关键问题同时也是中国科协发布的2019年和2020年十大重大工程技术难题之一，也就是“如何实现燃料电池氧还原反应快动力学？”“如何在可再生能源规模化电解水制氢生产中实现‘大规模’‘低能耗’‘高稳定性’三者的统一？”郭少军对此表示，通过持续的技术创新，未来将有很大机会去解决这两个关键难题。

燃料电池最核心的零部件是膜电极，主要由以下3方面构成：高活性和高稳定性催化剂、高性能碳纸（气体扩散、负载）和超薄、高耐用质子交换膜。膜电极被喻为燃料电池的“心脏”，其重要性不言而喻。然而，“膜电极也是我国面临的关键的‘卡脖子’技术之一。如果掌握了上述3个核心部件的自主核心技术，将会显著加快我们国家质子交换膜燃料电池的发展。”郭少军说。

燃料电池催化剂的重要进展

郭少军及其团队主要从事燃料电池与氢能关键材料与器件的研究，致力于全面解决燃料电池和氢能所面临的“卡脖子”问题，以实现燃料电池和氢能技术的全面自动化。2015年，郭少军回到祖国，希望为祖国的燃料电池和氢能技术的创新添砖加瓦。从起步时的困难重重，到逐渐走向正轨，郭少军团队一步步建立，实验室也一步步发展起来，并在高性能膜电极的研究上取得了重要进展。

郭少军研究团队发现PtPb/Pt核壳纳米片由于核和壳层不同晶相和晶面之間大的晶格错配产生的双轴应变可有效提升燃料电池氧还原催化性能，其制备的纳米片是目前最好的Pt基催化材料之一，该研究成果入选2017年度中国科协十大科研进展30项候选成果。

此外，郭少军研究团队第二个重要进展是在2019年首创了极薄的双金属二维材料——高度卷曲结构的PdMo亚纳米片（PdMo双金属烯）。他们发现本征拉应变效应、量子尺寸效应和配体效应协同优化了钯电子结构（氧结合能优化），氧还原活性相比Pt/C提升16.9倍，是目前催化活性最高的Pd基催化材料。该研究成果入选2019年度中国科协十大科研进展30项候选成果。

“在电化学制氢方面，我们发展了一些非常稳定的高效催化剂材料体系，目前可把电解水制氢膜电极在工业电流密度下的起始电压降到1.8伏，并可实现大电流密度下的高催化稳定性。”郭少军说。