燃料電池與氫能的關(guān)鍵材料

“燃料電池是一種非常重要的高能量密度電池體系，在軍用、民用等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。”在北京地區(qū)廣受關(guān)注學(xué)術(shù)成果系列報(bào)告會(huì)（新能源新材料領(lǐng)域）上，國家杰出青年科學(xué)基金學(xué)者、北京大學(xué)博雅特聘教授郭少軍表示。

燃料電池的前景與應(yīng)用

“目前，我國能源格局以化石能源為主，占比87%左右，新能源僅占比13%左右。”郭少軍說。而碳達(dá)峰、碳中和的提出，以及推動(dòng)清潔能源安全高效利用，加快新能源、綠色環(huán)保等產(chǎn)業(yè)發(fā)展，為燃料電池的發(fā)展提供了契機(jī)。

其實(shí)，燃料電池歷史悠久。早在1839年，英國科學(xué)家威廉·格羅夫爵士就進(jìn)行了燃料電池的實(shí)驗(yàn)。燃料電池的現(xiàn)代發(fā)展史起始于20世紀(jì)60年代初期，NASA率先將燃料電池應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，并且至今仍是航空航天領(lǐng)域的重要電源。

在軍用領(lǐng)域，像可穿戴電源、無人機(jī)、潛艇等方面，燃料電池都擁有很大的潛力。民用領(lǐng)域中，2020年投入使用的世界第一條氫燃料電池列車阿爾斯通Coradia iLint 已經(jīng)取得較好的效果。此外，目前燃料電池最重要的應(yīng)用是在新能源汽車領(lǐng)域，氫燃料電池是與鋰電池并行的技術(shù)路線。燃料電池主要是靠氫氣和氧氣作為燃料，將氫氣和氧氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。與鋰電池相比，燃料電池能量密度高，使用燃料電池的汽車，在較好情況下可以跑八九百千米，甚至1000千米。此外，當(dāng)氫耗盡時(shí)，加氫也非常快，幾分鐘就可以加滿。

燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)

燃料電池的研發(fā)是一項(xiàng)很大的系統(tǒng)性工程。郭少軍介紹了他所研究的重點(diǎn)：“如何清潔制備氫氣？”“如何高效利用氫氣？”這兩個(gè)關(guān)鍵問題同時(shí)也是中國科協(xié)發(fā)布的2019年和2020年十大重大工程技術(shù)難題之一，也就是“如何實(shí)現(xiàn)燃料電池氧還原反應(yīng)快動(dòng)力學(xué)？”“如何在可再生能源規(guī)模化電解水制氫生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)‘大規(guī)模’‘低能耗’‘高穩(wěn)定性’三者的統(tǒng)一？”郭少軍對(duì)此表示，通過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新，未來將有很大機(jī)會(huì)去解決這兩個(gè)關(guān)鍵難題。

燃料電池最核心的零部件是膜電極，主要由以下3方面構(gòu)成：高活性和高穩(wěn)定性催化劑、高性能碳紙（氣體擴(kuò)散、負(fù)載）和超薄、高耐用質(zhì)子交換膜。膜電極被喻為燃料電池的“心臟”，其重要性不言而喻。然而，“膜電極也是我國面臨的關(guān)鍵的‘卡脖子’技術(shù)之一。如果掌握了上述3個(gè)核心部件的自主核心技術(shù)，將會(huì)顯著加快我們國家質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)展。”郭少軍說。

燃料電池催化劑的重要進(jìn)展

郭少軍及其團(tuán)隊(duì)主要從事燃料電池與氫能關(guān)鍵材料與器件的研究，致力于全面解決燃料電池和氫能所面臨的“卡脖子”問題，以實(shí)現(xiàn)燃料電池和氫能技術(shù)的全面自動(dòng)化。2015年，郭少軍回到祖國，希望為祖國的燃料電池和氫能技術(shù)的創(chuàng)新添磚加瓦。從起步時(shí)的困難重重，到逐漸走向正軌，郭少軍團(tuán)隊(duì)一步步建立，實(shí)驗(yàn)室也一步步發(fā)展起來，并在高性能膜電極的研究上取得了重要進(jìn)展。

郭少軍研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)PtPb/Pt核殼納米片由于核和殼層不同晶相和晶面之間大的晶格錯(cuò)配產(chǎn)生的雙軸應(yīng)變可有效提升燃料電池氧還原催化性能，其制備的納米片是目前最好的Pt基催化材料之一，該研究成果入選2017年度中國科協(xié)十大科研進(jìn)展30項(xiàng)候選成果。

此外，郭少軍研究團(tuán)隊(duì)第二個(gè)重要進(jìn)展是在2019年首創(chuàng)了極薄的雙金屬二維材料——高度卷曲結(jié)構(gòu)的PdMo亞納米片（PdMo雙金屬烯）。他們發(fā)現(xiàn)本征拉應(yīng)變效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和配體效應(yīng)協(xié)同優(yōu)化了鈀電子結(jié)構(gòu)（氧結(jié)合能優(yōu)化），氧還原活性相比Pt/C提升16.9倍，是目前催化活性最高的Pd基催化材料。該研究成果入選2019年度中國科協(xié)十大科研進(jìn)展30項(xiàng)候選成果。

“在電化學(xué)制氫方面，我們發(fā)展了一些非常穩(wěn)定的高效催化劑材料體系，目前可把電解水制氫膜電極在工業(yè)電流密度下的起始電壓降到1.8伏，并可實(shí)現(xiàn)大電流密度下的高催化穩(wěn)定性。”郭少軍說。