重庆大学魏子栋教授、丁炜教授新能源团队《JACS》：AEMFCs阳极自排水实现气液解耦传输

第一作者：赵光耀、陈泽碧、宋晓云

通讯作者：丁炜*

单位：重庆大学

阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）中水的传输表现出“矛盾双重性”：它既是氢氧根离子（OH⁻）传输的关键介质，又是需及时排出的反应产物，因此对水管理的要求极为严格。在AEMFC工作过程中，阴、阳极间每进行4电子转移即会产生约38个水分子的净失衡，极易引发阳极积水，气体传输受阻，严重制约电池性能与寿命。重庆大学的魏子栋教授与丁炜教授团队在国际知名期刊《Journal of the American Chemical Society》上发表了一项标题为“Gas−Liquid Decoupling Transport by Self-Draining in the Anode of Anion Exchange Membrane Fuel Cells”的突破性研究，通过设计自排水阳极催化层（SD-ACL），成功实现气液解耦传输，为AEMFC水管理提供了创新性解决方案。

近日，来自重庆大学的魏子栋教授与丁炜教授团队在国际知名期刊《Journal of the American Chemical Society》上发表了一项标题为“Gas−Liquid Decoupling Transport by Self-Draining in the Anode of Anion Exchange Membrane Fuel Cells”的突破性研究，通过设计自排水阳极催化层（SD-ACL），成功实现气液解耦传输，为AEMFC水管理提供了创新性解决方案。

研究团队提出了一种仿生毛细驱动水管理策略，通过构建具有分级孔隙结构的碳纳米纤维层（CNL）作为自排水阳极催化层（SD-ACL），实现了气液解耦传输。如图1b所示，SD-ACL通过结构解耦途径实现各向异性传质：利用疏水多孔网络促进面内气体快速传输，同时通过毛细效应驱动水沿平面方向自发排出。反应生成的水优先横向迁移，形成向边缘区的水浓度梯度，在毛细力驱动下由侧面排出，而疏水中心区域则保持气体畅通。

为评估气液解耦传输能力，团队在燃料电池运行中设置了低湿与过湿两种极端条件。在26% RH低湿度条件下，SD-ACL-MEA的峰值功率密度较传统MEA提高2.2倍，显示优异的水保持能力。在100% RH条件下，传统HCP120-MEA发生水淹，功率密度降至496.4 mW cm^-2，而SD-ACL-MEA凭借解耦传输机制，功率密度逆势升至1150.3 mW cm^-2，增幅达2.3倍。即便在极端过湿条件下，SD-ACL-MEA仍保持888.6 mW cm^-2的峰值功率。

SD-ACL的水管理效能经恒电流实验进一步验证。，传统MEA在0.4 A cm^-2电流密度下运行6小时内出现严重电压振荡，根源在于排水-积聚的循环过程导致气体通道不稳定；相反，SD-ACL-MEA实现水气传输解耦，过电位显著降低，并在20小时运行期间保持了稳定的功率输出。通过加速应力测试评估MEA稳定性发现，SD-ACL-MEA在1000次循环后仅出现微小电压衰减（9.5%）。这种衰减主要归因于膜降解而非SD-ACL的结构劣化，高频电阻（HFR）增加9.2%提供了有力证据。将有效面积放大至5cm²后，SD-ACL-MEA通过分区空白方法实现了891.8 mW cm^-2的峰值功率密度和稳定功率输出，证明该策略在大面积MEA中具有良好的可扩展性和均匀性。

将SD-ACL应用于非贵金属阳极及全非贵金属MEA中，在高负载、高传质阻力与复杂水管理环境下仍表现优异：在H₂/O₂和H₂/Air条件下，峰值功率密度分别提升至334.0 mW cm^-2（提高1.57倍）和124.8 mW cm^-2（提高3.97倍）。结果表明，SD-ACL结构具有独特的气液解耦传输优势，特别适用于高载量非贵金属催化剂系统，为突破PGM-Free燃料电池传质限制提供了切实可行的解决方案。

丁炜教授简介：博士生导师。国家重点研发计划青年首席科学家，国家优秀青年基金项目获得者，重庆市杰出青年基金获得者，重庆市英才青年拔尖才，电化学青年编委、Chinese Chemical Letter青年编委，重庆大学先进电能源化学创新中心副主任。主持国家自然科学基金优秀青年基金、国家重点研发计划青年科学家项目、重庆市杰出青年基金等10余项。以通讯作者身份在Nature catalysis、Nature energy、Chem、JACS、Angew等论文80余篇，论文总他引6446次，H-index 44，其中ESI高被引论文5篇，期刊热点论文4篇，且多项研究成果在国家自然科学基金委网站亮点报告；先后荣获中国化工学会科学基础研究成果一等奖、重庆市科学技术奖自然科学一等奖、2024年度重庆市基础研究代表新成果，中国发明协会发明技术铜奖。

魏子栋教授简介：教育部长江学者特聘教授，国家重点研发计划项目首席科学家，国家自然科学基金重大项目首席科学家，国家自然科学基金“多项反应传递与转化调控”创新群体骨干成员，“化工过程强化与反应”国家地方联合工程实验室主任。中国石油和化学工业联合会“电解水耦合绿色化工合成”重点实验室主任，重庆市“新能源化工”创新团队学术带头人，“锂电及新材料遂宁研究院”创院院长。作为项目或课题负责人主持国家重点研发计划项目1项，国家自然科学基金重大项目1项，国家“863”高技术项目1项、课题3项，国家“973”重大基础研究计划课题2项，国家自然科学基金重点项目3项，省部级重大研究项目4项。获省部级科学技术奖励一等奖、二等奖各1次。发表学术论文300余篇，他引19000余次。申请发明专利41项，获授权33项。出版《电化学催化》《氧还原电催化》专著2部。

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