采用二维纳米材料构筑的燃料电池膜电极离子传输通路研究进展

摘要

燃料电池作为关键能源装置，在未来能源体系中具有重要地位。膜电极（MEA）作为核心反应场所，其内部高效的质子（H⁺）或氢氧根离子（OH^-）选择性传输至关重要。传统MEA主要依赖离子传导性聚合物实现离子传输，但普遍存在工作温区受限、成本高昂、化学稳定性不足等瓶颈问题。近年来，由于H⁺/OH^-传导能力显著、原料来源广泛、化学稳定性高等优势，以二维剥离黏土、二维共价有机框架材料（2D-COFs）等为代表的新型二维纳米材料为构建高性能离子传输通路提供了新的解决途径。首先，系统介绍了本课题组在二维纳米材料离子（H⁺/OH^-）传导机理方面的研究进展，重点阐述了通过精准调控二维纳米材料微观结构（如层间距、表面官能团、堆叠方式）,构筑高效、稳定离子选择性传输通路的策略。接着，结合具体研究案例，展示了其在MEA关键组件中的创新应用，即利用二维剥离黏土构筑高性能质子交换膜（PEM）、采用二维剥离水滑石（2D-LDH）构筑阴离子交换膜（AEM）以及基于2D-COFs在催化层内构建高效的质子传输网络。最后，对二维纳米材料在未来高性能氢燃料电池膜电极中的深入应用潜力和挑战进行了总结与展望。

关键词

燃料电池 / 膜电极 / 二维纳米材料 / 离子传输

基金资助

国家自然科学基金资助项目(52277225); 西安交通大学基本科研业务费青年创新团队项目资助项目(xtr052024009)