综述：氢能与燃料电池技术前沿：材料创新、电化学机制与可持续应用综述

《Materials》：Progress and Future Perspectives in Hydrogen Energy and Fuel Cell Technologies for Clean Energy Applications

　　面对日益增长的关于气候变化、温室气体排放和化石燃料枯竭的担忧，氢能已成为实现可持续、低碳和净零能源系统最有希望的路径之一。由于其高能量密度、环境相容性以及跨行业的多功能性，氢能越来越被公认为未来清洁能源基础设施的关键能源载体。特别是，氢燃料电池和电化学转化技术为传统的燃烧系统提供了高效的替代方案，同时能够在交通运输、发电、工业制造和可再生能源整合方面显著减少碳排放。本综述全面概述了氢能和燃料电池技术的最新进展，重点关注材料创新、电化学机制、耐久性和可持续应用。最新进展的制氢路径，包括水电解、光电化学制氢、热化学转化和生物质辅助过程，与新兴的氢气储存和运输技术一起进行了批判性讨论。先进的电催化剂的最新发展，包括无贵金属催化剂、高熵材料、钙钛矿氧化物、MXene衍生物催化剂、单原子催化剂和缺陷工程纳米结构，从催化活性、电子结构调节、稳定性和可扩展性方面进行了评估。本综述进一步研究了燃料电池系统中控制析氢反应、析氧反应、氧还原反应、质子传输和氧离子传导的基本电化学机制。各种燃料电池技术，包括质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池、质子陶瓷燃料电池和阴离子交换膜燃料电池，从工作原理、电化学性能、效率、降解行为和商业准备度方面进行了比较分析。此外，讨论了涉及催化剂溶解、碳腐蚀、电解质不稳定和热降解的关键降解路径，以及先进的耐久性增强策略。除材料和电化学视角外，本综述还强调了氢技术在燃料电池电动汽车、重型运输、固定式发电、工业脱碳和可再生能源存储系统中的可持续应用。技术经济可行性、生命周期可持续性、碳足迹分析、基础设施建设和全球氢能市场趋势也得到了批判性评估。最后，概述了新兴的未来方向，包括人工智能辅助材料发现、数字氢系统、集成可再生能源氢基础设施、低成本电解槽和先进的氢气储存技术，为可持续氢能经济和未来燃料电池技术的发展提供战略见解。