综述：超越膜的限制：无膜燃料电池的最新进展

这篇综述系统阐述了无膜燃料电池（MFCs）作为质子交换膜燃料电池（PEMFCs）的替代方案，聚焦其简化结构设计（如微流控层流MLFCs和混合反应物MRFCs）和催化优化（贵金属/过渡金属/杂化催化剂），在降低成本、提升耐久性和抗化学降解性方面的突破，为可持续能源应用提供新思路。

　　

引言

燃料电池（FCs）通过电化学反应将化学能直接转化为电能，相比传统燃烧系统具有高效、低排放优势。质子交换膜燃料电池（PEMFCs）虽处主流地位，却受限于高成本（如Nafion膜达2000美元/平方米）、缓慢反应动力学和膜脱水等问题。无膜燃料电池（MFCs）通过消除聚合物膜简化系统，分为两类：依赖层流分离的MLFCs和基于催化剂选择性的MRFCs。

MLFCs的进展

结构设计：MLFCs通过微流控通道（如T形、桥式）形成虚拟膜，双桥设计使功率密度提升171%。被动式纤维电极（如镍涂层碳纤维）利用毛细作用实现无泵运行，甲醇-硫酸体系功率密度达0.48 mW cm^?2。

催化优化：

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  贵金属催化剂：Pt/C棉布电极实现均匀燃料传输，而Pd-Pt/C三元合金通过Ni(OH)₂/NiOOH路径增强CO耐受性。

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  过渡金属：普鲁士蓝-碳纳米管阴极在过氧化氢燃料电池中展现高稳定性，Fe-N掺杂碳材料抑制甲醇交叉。

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  杂化催化剂：Pt-Ru-Ni/C中镍提升结构稳定性，RuSe_x选择性催化氧还原反应（ORR）。

MRFCs的突破

选择性催化：Mn₂O₃/Pt阴极在甲醇浓度4 M时功率密度达2.16 mW cm^?2，其表面屏障效应阻隔甲醇渗透。Pd/Ag双金属催化剂在甲酸钾燃料电池中实现4000 W m^?2峰值功率，19电堆成功驱动电动车。

非贵金属创新：Fe-N-C纳米片通过Fe-N_x位点实现高效ORR，锌空气电池中性能超越Pt/C。光催化MRFCs（如WO₃/g-C₃N₄光阳极）兼具污染物降解与发电功能。

未来展望

MLFCs需优化柔性器件中的催化剂稳定性，而MRFCs需解决燃料混合导致的副反应。多孔电极、光辅助催化及模块化设计是发展方向，推动其在便携电子和分散式能源中的应用。无膜技术的核心在于将材料创新与系统设计结合，最终实现“高效催化”与“简易工程”的协同。