综述：优化质子交换膜燃料电池的膜和电催化剂研究进展

这篇综述全面探讨了质子交换膜燃料电池(PEMFCs)中膜电极组件(MEA)的关键材料——质子交换膜(PEM)和电催化剂的最新研究进展。文章系统分析了全氟化、部分氟化及非氟化膜的制备工艺(如辐射诱导接枝和静电纺丝)，深入探讨了铂基(Pt-based)和非贵金属(M-N-C)电催化剂的设计策略，并指出优化三相边界(TPB)界面是提升PEMFC性能(>60%效率)和耐久性(目标>25,000小时)的核心挑战，为清洁能源转换技术提供了重要指导。

　　

质子交换膜燃料电池的技术演进
质子交换膜燃料电池(PEMFCs)自1960年代由通用电气开发用于NASA航天任务以来，经历了显著的技术迭代。关键里程碑包括1990年代戈尔公司开发的复合膜，2009年日本Ene-Farm住宅系统的商业化，以及2015年丰田Mirai的推出。当前研究聚焦于解决系统成本高(堆栈成本约75美元/千瓦)和耐久性不足(重型车辆需30,000小时)两大瓶颈，其中膜电极组件(MEA)占总成本的61%，成为优化重点。

膜材料的创新突破
全氟磺酸(PFSA)膜如Nafion仍是行业标准，但其高昂价格(350-500美元/平方米)和湿度敏感性促使研究者开发替代方案。辐射诱导接枝(RIG)技术通过将苯乙烯衍生物接枝到乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)基底上，制备的膜在80°C下质子电导率达100 mS/cm^-1，寿命达2,185小时。静电纺丝技术则通过构建聚偏二氟乙烯-三氟乙烯(P(VDF-TrFE))/磺化二氧化硅(S-SiO₂)复合纤维膜，在60%相对湿度下实现344 mW/cm²的功率密度，比传统Nafion膜提升25%。

电催化剂的性能跃升
阴极氧还原反应(ORR)催化剂是研究的重中之重。铂钴(PtCo)合金在丰田Mirai中展现出优异的4e^-路径选择性，而硬磁L1₀-CoPt核壳结构纳米颗粒质量活性达2.25 A/mg_Pt^-1。非贵金属催化剂方面，沸石咪唑骨架(ZIF-8)衍生的铁氮碳(Fe-N-C)催化剂在1,141 mW/cm²功率密度下稳定运行167小时，锰基(Mn-N-C)催化剂经过30,000次循环后仅衰减17 mV。

界面工程的精妙设计
三相边界(TPB)的优化是提升性能的关键。通过电场引导静电纺丝构建的交叉排列聚四氟乙烯(PTFE)/Nafion复合膜，氢渗透电流<5 mA/cm²，功率密度达850 mW/cm²。直接膜沉积(DMD)技术可精确控制离聚体厚度在4-10 nm，使铂利用率提高3倍。氮修饰的科琴黑(N-KB)载体通过调控孔道结构，将局部氧传输阻力降低至0.15 s/cm。

未来发展方向
到2030年，研究将聚焦于：1) 开发自修复膜材料；2) 生物启发式质子传导通道设计；3) 人工智能辅助的Pt-M(M=Fe,Co,Ni)合金催化剂优化；4) 标准化加速耐久性测试(ADT)协议。市场预计到2034年PEMFC规模将超80亿美元，其中重型卡车应用占比将达40%，推动氢能经济向11.7万亿美元产值迈进。