质子交换膜中催化剂与有机燃料的跨膜渗透机制及其对液体催化燃料电池性能的影响研究

本研究揭示了液体催化燃料电池(LCFCs)中Nafion质子交换膜(PEM)存在的催化剂(PMo/PMoV)与有机燃料(葡萄糖/甘露糖)跨膜渗透问题，通过渗透实验证实浓度梯度主导物种迁移(葡萄糖渗透率1.17×10?10 cm2/s)，电场显著加速钒迁移(1.48×10?3 cm3/(s·A))，导致法拉第效率5天内下降12%，为LCFCs膜材料优化提供关键依据。

　　

在能源转型与碳中和背景下，生物质能作为可再生资源备受关注。传统生物质利用需经历多步能量转换，效率低下；而新兴的液体催化燃料电池(LCFCs)可直接将复杂生物质(如葡萄糖、木质素等)在温和条件下转化为电能，兼具废物处理与能源回收双重优势。然而这类系统普遍采用Nafion质子交换膜(PEM)分隔阴阳极电解液，其跨膜渗透问题长期被忽视——就像“漏水的管道”持续损耗系统效能，导致实际性能评估失真、运行寿命缩短。这一隐蔽问题成为制约LCFCs技术发展的“阿喀琉斯之踵”。

为解决这一关键瓶颈，国内研究人员通过构建典型LCFCs系统（阳极：磷钼酸PMo/葡萄糖，阴极：磷钼钒酸PMoV），结合多尺度表征与渗透动力学分析，首次系统揭示了催化剂与有机燃料的跨膜迁移机制。相关成果发表在《Next Energy》上，为理解LCFCs性能衰减提供了分子层面的解释。

研究采用四大关键技术：①电化学工作站监测电池性能参数（极化曲线、开路电压OCV）；②渗透实验量化迁移速率（TOC分析、ICP-OES元素检测）；③材料表征（XPS价态分析、FTIR-ATR化学结构解析）；④膜孔结构分析（氮吸附法测0.98-4.25 nm孔径分布）。通过对比开路与放电条件，建立了浓度梯度与电场驱动的双通道迁移模型。

3.1 电池性能与反应路径
系统在室温下实现3.57 mW/cm²峰值功率密度，但放电5天后法拉第效率从32%骤降至20%。通过HPLC-MS解析发现葡萄糖经PMo催化产生甘露糖、葡萄糖酸等9种中间体（图3），这些产物与未反应底物共同构成跨膜渗透的有机组分。

3.2 渗透现象解析
Nafion 115膜存在0.98-4.25 nm介孔（图4a-b），允许PMo（直径1.05 nm）等催化剂渗透。浓度梯度下，葡萄糖渗透率（1.17×10^?10 cm²/s）比PMoV快15倍；放电时电场使钒迁移量倍增（图7e-f），阴极区PMoV损失导致氧化电位下降。XPS证实膜表面富集Mo(V)和V(V)，但未改变PEM本体结构（图4c-d）。

3.3 迁移动力学模型
建立渗透速率方程（式4）预测15天达到催化剂平衡，但实际8天即失效（图8b）。这种差异源于：①有机物的阴极直接氧化；②PMoV阳极迁移引发非电化学副反应。相比甲醇燃料电池（渗透率10^?7级），LCFCs还面临更复杂的催化剂交叉污染问题。

该研究首次量化了LCFCs中物质跨膜迁移的动力学参数，揭示其“三重破坏”机制：降低法拉第效率、扰乱氧化还原平衡、加速催化剂失活。尽管采用复合膜或双侧同催化剂设计可缓解渗透，但根本出路在于开发新型选择性膜材料。这项工作不仅为LCFCs性能优化指明方向，其建立的渗透模型对液流电池、质子交换膜电解槽等电化学系统同样具有借鉴意义。