王中阳-Ramani-Sankarasubramanian合作团队：高功率燃料电池微尺度双极界面的新范式

近日，美国阿拉巴马大学王中阳教授团队与华盛顿大学Ramani教授、德州大学圣安东尼奥分校Sankarasubramanian教授合作的AMR述评文章"Microscale Bipolar Interfaces for High-Power Fuel Cells"在线发表。文章系统总结了微尺度双极界面（PMBI）的设计原理与性能优势，详细讨论了其在直接硼氢化物燃料电池、直接甲醇燃料电池等体系中的应用突破，并对未来自修复界面、光-电耦合调控等发展方向进行了展望。

关键词：双极界面、pH梯度、直接硼氢化物燃料电池、离子聚合物、高功率密度

01 文章内容简介

在传统燃料电池系统中，阳极与阴极通常共享相同的电解质环境，pH 条件受限，难以同时满足两极电化学反应的最优要求。这一限制不仅缩窄了可选催化剂的种类，还限制了反应电位差，最终导致电池电压输出受限、系统功率密度不足。针对这一关键挑战，我们提出并构建了一种pH 梯度驱动的微尺度双极界面（PMBI），首次实现在同一燃料电池中阳极保持碱性、阴极维持酸性环境，从根本上避免了电解质交叉扩散问题，为实现更高电压输出与系统稳定性提供了可能。

该 PMBI 架构由阳极侧的阴离子交换离聚物粘结剂（AEI）与中间的阳离子交换膜（CEM）协同构成，可在纳米尺度内维持稳定的 pH 梯度。我们以硼氢化钠（NaBH₄）为燃料、过氧化氢（H₂O₂）为氧化剂，构建了新型直接硼氢燃料电池（DBFC）。该系统在 1.5 V 电压下实现了 470 mA/cm² 的电流密度，峰值功率密度达 890 mW/cm²，较传统聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）在 0.75 V 工作电压下的功率密度（约 300–400 mW/cm²）提升了约 2.4 倍。此外，PMBI 显著抑制了H₂O₂歧化、NaBO₂沉积等副反应以及离子交叉污染，展现出良好的耐久性。

该 PMBI 架构还成功拓展至直接甲醇燃料电池（DMFC）与直接乙醇燃料电池（DEFC）。在以 H₂O₂为阴极氧化剂的体系中，PMBI 构型分别实现了 DMFC 与 DEFC 接近理论极限的开路电压（分别为 1.7 V 与 1.65 V），同时显著提高了峰值功率密度。研究表明，通过精准的界面设计与 pH 分区调控，可显著提升液体燃料电池系统的电化学性能。未来，结合自修复材料设计与光电耦合调控机制等前沿策略，有望进一步推动 PMBI 在高功率密度、长寿命燃料电池系统中的实际应用。

02 AMR：您选择该领域的初心是？

作者团队：

燃料电池中，阳极和阴极往往需要不同的 pH 环境才能实现高效反应，但传统系统只能提供统一电解质条件，限制了电压输出和催化剂选择。我们希望打破这个限制，通过构建在微观尺度上维持酸碱分离的界面结构，让两极各自处于最优反应环境。这个想法促使我们提出了微尺度双极界面（PMBI）这一新策略。

PMBI 的关键优势不仅在于维持 pH 梯度，更在于其显著扩展了反应界面面积。相比传统双极膜仅限于几何面积的界面，PMBI 通过纳米级厚度包覆催化剂颗粒，使实际反应面积扩大了数十到上百倍。例如，1 mg/cm² 的催化剂负载可对应约 200 cm² 的表面积，为离子传输和电极反应提供了更充分的界面。这一设计带来了性能的质变，使直接硼氢燃料电池的输出电流密度达到传统氢氧系统的十倍以上。我们认为，这种界面工程不仅是材料层面的创新，更为燃料电池系统提供了全新的优化路径。

03 AMR：您对该领域的发展有何愿景？

作者团队：

我们希望通过 PMBI 技术，推动液体燃料电池在电压输出、功率密度和系统可用性方面实现全面提升，具体目标包括：

1. 显著提升电压平台：传统聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）通常工作在 0.7–0.8 V，而我们开发的 PMBI 架构已使 DBFC 在 1.5 V 下稳定运行，电压接近理论极限，提升近一倍。

2. 扩大功率密度输出：在相同电极面积下，我们实现了接近 900 mW/cm²的峰值功率密度，为便携式高功率系统提供可能。

3. 拓展应用场景：PMBI 架构不仅适用于 DBFC，还适用于直接甲醇和乙醇燃料电池，未来有望服务于无人机、极端环境电源及军用等领域。我们希望它从“实验室创新”走向“工程化落地”。

04 AMR：请和大家分享一下这个领域可能出现的研究机会！

作者团队：

最关键的科学问题是：如何让微尺度双极界面在高负荷和长期运行中保持稳定？围绕这个问题，我们在以下三个方向看到了广阔的研究机会：

1. 界面结构的力学和化学稳定性：pH 梯度是 PMBI 的核心，这要求材料具备良好的离子选择性、水管理能力和抗机械应力能力。

2. 材料体系的可持续优化：我们正在开发更高电导率、更强碱稳定性的离聚物，并探索自修复型交联网络来抵抗界面退化。

3. 响应型与耦合机制设计：通过引入光电响应机制、梯度结构和动态调控层，我们希望实现界面性能的实时适应与精准控制，为下一代智能燃料电池提供支撑。

我们相信，这些研究方向不仅能为微尺度双极界面的长期运行提供理论基础和材料支撑，也将为高功率、高耐久的液体燃料电池系统开辟新路径。

作者团队简介

王中阳，阿拉巴马大学化学与生物工程系助理教授，专注于能源材料与界面工程，致力于开发适用于燃料电池、电解水和液流电池的新型离聚物和结构设计。王博士于2019年获得华盛顿大学博士学位，2019 ～2023年在芝加哥大学完成博士后研究。曾获ARPA-E青年奖、ECS Toyota青年学者奖等多项资助。已在Nature Energy、Nature Communications、ACS Nano、Advanced Functional Materials等国际权威期刊发表论文26篇。

Vijay Ramani，华盛顿大学圣路易斯分校副教务长，Roma B. and Raymond H. Wittcoff讲席教授，美国电化学会（ECS）会士，拥有11项美国专利。Ramani 教授长期从事电化学能量转化与储存研究，聚焦于低温燃料电池、电解器与流动电池，其研究受到 NSF、ONR、DOE、ARPA-E 及工业界资助。他曾担任ECS电化学工程分会和AIChE 1E分会主席，并受邀担任南非西北大学、清华大学、印度理工学院德里分校的访问教授。

Shrihari Sankarasubramanian,德克萨斯大学圣安东尼奥分校（UTSA）生物医学与化学工程系助理教授，研究聚焦极端环境下的电化学反应机制与器件设计，尤其擅长液体燃料电池与热-电耦合系统的建模与实验验证。他于2016年获伊利诺伊理工学院化学工程博士学位，并于2017–2021年在华盛顿大学从事博士后与研究员工作。他在 UTSA 的课题组致力于推动能量转换技术在高温、高压和间歇工况下的实用化。

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Microscale Bipolar Interfaces for High-Power Fuel Cells

Jianping Chen, Kritika Sharma, Zhongyang Wang*, Shrihari Sankarasubramanian*, and Vijay Ramani*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.5c00039

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