综述：关于功能性纤维素在燃料电池聚合物电解质膜中的应用的研究综述：从结构-性能关系到商业前景

《Inorganic Chemistry Communications》：A critical review on functional cellulose for fuel cell polymer electrolyte membrane: From structure-property relationships to commercial outlook

可持续膜材料对下一代电化学能源系统至关重要，尤其燃料电池领域。纤维素因其可再生性、环境友好性和可化学改性潜力成为研究热点，通过磺化、纳米复合、共混改性等策略可提升质子传导性、机械强度及抗甲醇渗透性。本文系统分析纤维素基膜的结构-性能关系，对比传统Nafion膜，指出实验室阶段离子电导率与商业标准仍有差距，水 uptake调控及长期稳定性亟待突破，同时探讨产业化技术经济挑战与商业化路径。

　　随着全球对可持续能源技术的关注日益增加，尤其是面对化石燃料消耗带来的环境污染和温室气体排放问题，推动新型电化学能量系统的发展显得尤为重要。在这一背景下，质子交换膜燃料电池（PEMFCs）作为高效、环保、灵活的能源转换装置，正逐步成为实现碳中和目标的关键技术之一。然而，要充分发挥燃料电池的潜力，必须解决材料层面和系统层面的一系列挑战。其中，开发低成本、耐用、环境友好的膜材料尤为关键，因为膜在确保离子高效传输、减少燃料渗透以及维持系统稳定运行方面发挥着核心作用。

目前，商业上广泛使用的膜材料主要是全氟磺酸（PFSA）聚合物，尤其是Nafion?。这类材料因其卓越的质子传导性、出色的化学稳定性和已验证的运行性能而被公认为质子交换膜燃料电池的基准材料。然而，Nafion?膜也存在一些固有的局限性，这些限制在大规模应用和可持续能源系统中尤为突出。例如，其生产成本较高，主要归因于复杂的氟聚合物合成工艺和严格的加工条件。此外，Nafion?在高温（>80°C）和低湿度环境下容易出现性能退化，其质子传导性显著下降，限制了其工作温度范围。这些缺点使得Nafion?膜在面对日益增长的可持续性需求时，显得不够理想。

与此同时，燃料渗透问题，特别是在直接甲醇燃料电池（DMFCs）中，是Nafion?膜面临的一大挑战。甲醇的渗透会导致燃料效率下降、阴极混合电位增加，从而影响整体性能。此外，近年来对全氟化合物生命周期影响的关注也逐渐升温，特别是它们的持久性和潜在毒性问题，进一步推动了寻找绿色、可生物降解替代材料的需求。监管机构对氟化材料使用的限制预计将更加严格，这促使人们转向可持续的膜技术。为了解决这些问题，研究人员已经投入大量精力，致力于开发具有高离子导电性、低燃料渗透性、增强的机械强度和环境兼容性的新型膜材料。

在众多候选材料中，纤维素及其衍生物因其可调节的表面化学、优异的机械强度和丰富的天然来源而脱颖而出。纤维素是一种线性多糖，由β(1→4)糖苷键连接的葡萄糖单元组成，形成晶态和非晶态区域的网络结构。这种独特的结构赋予了纤维素高机械强度、化学稳定性、生物降解性和良好的成膜能力。通过化学修饰，如磺化、聚合物共混和纳米复合材料的构建，可以进一步优化纤维素膜的性能，使其更适用于燃料电池等电化学系统。

近年来，关于纤维素在能源应用中的研究呈现出显著的增长趋势。根据Scopus的数据，过去十年中，关于纤维素基材料在燃料电池和电池中的研究论文数量稳步上升，2014年至2024年间增长了近五倍。这一趋势表明，科学界对纤维素作为能源转换和存储系统组件的兴趣正在扩大，其原因在于纤维素与可持续性目标的高度契合，以及其在材料特性方面的巨大潜力。已有多个综述文章探讨了纤维素在电池、超级电容器、水凝胶和微生物燃料电池中的应用，但针对燃料电池特定需求的纤维素膜设计，特别是在结构-性能关系、功能化策略和商业化前景方面，仍然缺乏系统性的整合分析。

为了填补这一空白，本文对纤维素基材料的最新进展进行了系统性综述，特别强调其在电化学能量系统中的应用，尤其是燃料电池。通过深入分析结构-性能之间的关联，并识别尚未解决的挑战，本文旨在为纤维素基膜的开发和商业化潜力提供战略性的见解。本文还通过图表形式展示了开发可持续电化学系统的动机，将全球协议和市场需求与生物降解替代材料如纤维素基膜的需求联系起来，并突出了质子交换膜燃料电池的基本运行原理，以及氢气在能源、交通和环境控制中的广泛应用。

尽管在实验室规模上取得了显著进展，但实现与商业标准相当的质子导电性、优化吸水性以及确保长期化学稳定性仍然是一个挑战。此外，可扩展膜制造的技术经济考量，如成本效益、生产规模和实际应用中的集成问题，仍然有待深入研究。本文最后提出了一个展望，强调了创新路径，包括混合结构、绿色合成方法和潜在的商业化策略，以推动纤维素从一种生物聚合物发展为适用于高性能、可持续电化学能量系统的材料平台。

纤维素基膜的开发不仅涉及材料科学领域的创新，还与环境可持续性、经济效益和社会需求密切相关。为了实现这一目标，需要综合考虑多种因素，包括材料的结构设计、化学修饰方法、制造工艺优化以及商业化路径的可行性。此外，还需要评估纤维素基膜在实际应用中的性能表现，如在不同温度和湿度条件下的稳定性和耐久性。通过这些努力，可以推动纤维素基膜成为未来可持续能源系统的重要组成部分。

纤维素基膜的研究还涉及到跨学科的合作，包括化学工程、材料科学、环境科学和生物技术等领域。这种多学科的融合有助于全面探索纤维素的潜力，并克服其在实际应用中面临的技术障碍。例如，在化学工程领域，研究人员可以开发新的制造工艺，以提高纤维素膜的性能和生产效率；在材料科学领域，可以探索新的化学修饰方法，以增强纤维素膜的离子导电性和机械强度；在环境科学领域，可以评估纤维素基膜的环境影响，确保其符合可持续发展的要求；在生物技术领域，可以利用生物合成方法生产纤维素，从而降低生产成本并提高材料的可再生性。

此外，纤维素基膜的商业化还面临一定的市场和技术挑战。一方面，需要确保其在实际应用中的性能达到商业标准，包括高离子导电性、低燃料渗透性和良好的机械强度；另一方面，还需要评估其在不同应用场景下的适应性，如在交通、固定电源和便携设备中的应用。因此，研究人员需要从多个角度出发，综合考虑材料性能、制造工艺、成本效益和市场需求，以推动纤维素基膜的商业化进程。

纤维素基膜的未来发展方向还可能包括与其他材料的结合，形成混合结构或复合材料，以进一步提升其性能。例如，通过将纤维素与其他导电材料结合，可以提高其质子导电性；通过将纤维素与纳米材料结合，可以增强其机械强度和化学稳定性。此外，绿色合成方法的开发也是未来研究的重要方向，这些方法不仅可以降低生产成本，还可以减少对环境的影响，符合可持续发展的要求。

总的来说，纤维素基膜的研究和开发是一个充满挑战和机遇的领域。通过不断优化材料性能、探索新的制造工艺、加强跨学科合作以及推动商业化进程，可以为可持续能源系统的建设提供重要的技术支持。随着全球对绿色能源的需求不断增加，纤维素基膜有望成为未来电化学能量系统的重要组成部分，为实现碳中和目标和推动可持续发展做出贡献。