论文标题：Mesoporous carbon materials: Synthesis and applications in proton exchange membrane fuel cells

期刊：Frontiers in Energy

作者：Zheng Wang, Yunan Li, Qing Li

发表时间：06 Mar 2025

DOI：10.1007/s11708-025-1005-5

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文章简介

质子交换膜燃料电池（PEMFCs）因其高效能源转换和环境友好特性，被视为可持续能源技术的重要发展方向。然而，其商业化进程仍受限于催化活性不足、质量传输效率低及长期运行稳定性差等挑战。近年来，介孔碳材料凭借高比表面积、可调控孔结构和优异导电性，成为提升PEMFCs性能的关键材料。本文系统综述了介孔碳的合成策略及其在PEMFCs催化层与气体扩散层中的应用机制，并展望了未来的研究方向。

研究背景及意义

全球能源需求持续增长，但80%的能源仍依赖化石燃料，导致环境污染与资源枯竭问题日益严峻。PEMFCs通过电化学反应将化学能直接转化为电能，具有功率密度高、启动迅速和零排放等优势，被视为清洁能源技术的重要突破口。然而，其核心组件膜电极（MEA）的催化层与气体扩散层存在催化活性位点利用率低、氧传输阻力大及催化剂失活等问题，尤其在高电流密度下性能衰减显著，严重制约了其大规模应用。

传统碳载体的孔结构无序且比表面积有限，导致催化剂颗粒分布不均，离子膜覆盖活性位点，加剧了传质限制与催化剂中毒效应。介孔碳材料通过精确设计的孔道结构，可优化催化剂分散、促进反应物传输并增强载体稳定性。此外，其表面化学性质可通过掺杂改性进一步调控，从而平衡质子传导与气体扩散效率。因此，介孔碳材料的开发对突破PEMFCs技术瓶颈、降低铂载量及提升耐久性具有重要科学价值与工程意义。

主要研究内容

介孔碳的合成方法主要包括硬模板法、软模板法与无模板法。硬模板法以介孔二氧化硅为模板，通过碳前驱体填充与模板刻蚀获得有序孔结构，但其工艺复杂且易损伤碳骨架。软模板法则利用两亲性嵌段共聚物的自组装行为，通过调节模板与前驱体相互作用形成介孔，但高温碳化易导致孔结构收缩。无模板法通过热解特定前驱体原位生成介孔，虽简化了工艺流程，但孔均一性控制难度较高。近年来，硬模板法通过引入可溶性或可回收模板降低成本，而软模板法结合生物质表面活性剂提升了可持续性。

图1 采用硬模板法制备的介孔碳材料

图2 采用软模板法制备介孔碳材料

图3 采用无模板法制备介孔碳材料

在PEMFCs应用中，介孔碳作为催化剂载体可显著优化离子膜分布并降低氧传输阻力。以丰田第二代Mirai燃料电池为例，其采用的树状介孔碳载体通过设计“邻近但不接触”的孔道结构，减少了离子膜对铂催化剂的毒化效应，同时提升了质量活性。通用汽车开发的HSC系列介孔碳通过缩短孔道长度，降低了局部氧传输阻力（R_local），使高电流密度下的电压损失减少了45%。此外，氮掺杂介孔碳通过静电作用诱导离子膜均匀分布，进一步提升了催化层效率。研究还表明，介孔碳的限域效应可抑制铂颗粒的奥斯特瓦尔德熟化，经3万次循环测试后，亚尺寸Pt₃Co-MC催化剂的活性保持率达81.5%，显著优于传统Pt/C（33%）。

图4 用于优化离聚物分布及与催化剂纳米颗粒空间排布的介孔碳结构设计

图5 用于增强催化剂稳定性与活性的介孔碳应用

在气体扩散层（GDL）中，介孔碳通过构建梯度孔结构平衡了水管理性能与气体渗透效率。例如，经硝酸处理的介孔碳引入亲水基团后，小介孔（3.8 nm）排水能力增强，大介孔（6.4 nm）保障气体传输，峰值功率密度较商用XC-72R提升12.8%。通过调控造孔剂含量优化GDL孔隙率，在50 wt%添加量下实现了2.08 A/cm2的峰值电流密度。然而，高孔隙率材料的机械强度与导电性平衡仍是未来研究的重点。

研究结论

介孔碳材料通过结构设计与化学改性，显著提升了PEMFCs的催化效率、传质性能与耐久性。硬模板法与软模板法的创新结合、生物质碳源的低成本开发及机器学习辅助的孔结构优化，为其工业化应用提供了新思路。未来研究需聚焦于孔尺寸与形貌的精准调控、多元素协同掺杂及梯度孔复合材料的开发。通过跨学科技术整合与规模化制备工艺优化，介孔碳材料有望推动PEMFCs在交通与储能领域的广泛应用，助力清洁能源转型。

原文信息

Mesoporous carbon materials: Synthesis and applications in proton exchange membrane fuel cells

Zheng Wang, Yunan Li*, Qing Li*

Author information：

State Key Laboratory of Materials Processing and Die and Mould Technology, School of Materials Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China

Abstract：

Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) have attracted significant attention as sustainable energy technologies due to their efficient energy conversion and fuel flexibility. However, several challenges remain, such as low catalytic activity of fuel cell membrane electrode assembly (MEA), insufficient mass transfer performance, and performance degradation caused by catalyst deactivation over long period of operation. These issues are especially significant at high current densities, limiting both efficiency and operational lifespan. Mesoporous carbon materials, characterized by a high specific surface area, tunable pore structure, and excellent electrical conductivity, are emerging as crucial components for enhancing power density, mass transfer efficiency, and durability of PEMFCs. This review first discusses the properties and advantages of mesoporous carbon and outlines various synthetic strategies, including hard template, soft template, and template-free approaches. It then comprehensively examines the applications of mesoporous carbon in PEMFCs, focusing on their effects on the catalyst and gas diffusion layer. Finally, it concludes with future perspectives, emphasizing the need for further research to fully exploit the potential of mesoporous carbon in PEMFCs.

Keywords:

mesoporous carbon materials; proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs); nanocomposites; electrocatalysis; ionomer

Cite this article:

Zheng Wang, Yunan Li*, Qing Li. Mesoporous carbon materials: Synthesis and applications in proton exchange membrane fuel cells. Front. Energy, https://doi.org/10.1007/s11708-025-1005-5

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通讯作者简介

李箐，华中科技大学材料科学与工程学院教授，新能源材料与器件中心主任。主要从事氢能与碳中和、电催化、燃料电池等领域的研究。近五年以通讯作者在Nat. Mater., Nat. Catal., J. Am. Chem. Soc., Nat. Commun.等期刊发表学术论文50余篇，共被引用20000余次。主持国家自然科学基金优秀青年科学基金（结题优秀），国家自然科学基金区域联合基金重点项目等。担任Chinese Chemical Letters期刊副主编、《电化学》，《催化学报》等期刊编委，化学工业出版社《先进电化学能源存储与转化丛书》和其分册《氢燃料电池：关键材料和技术》主编，中国化学会青委会委员。

李玉楠，华中科技大学材料科学与工程学院博士后（合作导师：李箐教授）。研究兴趣为电解水制氢、氢燃料电池等相关电催化反应以及原位XAFS表征技术。2024年在中国科学院上海应用物理研究所（上海光源）取得博士学位，目前以第一作者/通讯作者身份在Nat. Commun.，Appl. Surf. Sci.等期刊发表学术论文6篇，主持湖北省自然科学基金青年B类项目1项。

期刊简介

Frontiers in Energy是中国工程院院刊能源分刊，高教社Frontiers系列期刊之一。由中国工程院、上海交通大学和高等教育出版社共同主办。翁史烈院士和倪维斗院士为名誉主编，中国工程院院士黄震、周守为、苏义脑、彭苏萍担任主编。加拿大皇家科学院、加拿大工程院、中国工程院外籍院士张久俊，美国康涅狄格大学校长、教授Radenka Maric，上海交通大学教授Nicolas Alonso-Vante和巨永林担任副主编。

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