燃料电池作为一种新兴的具有极大吸引力的清洁能源技术，已经在学术界，政府和工业界引起了广泛关注。在绝大部分质子交换膜（PEM）燃料电池中，铂族金属（PGM）基催化剂成本占大规模生产预计总成本的约50％。为了降低其成本，目前主要采取两种基于催化剂材料的策略：减少PGM催化剂的使用量（低PGM催化剂）；开发替代PGM的无PGM催化剂。然而，当降低膜电极组件（MEA）（PEM燃料电池的发电单元）中的PGM催化剂载量或将无PGM的催化剂集成到MEA中时，会严重降低燃料电池的稳定性。更重要的是，目前催化剂材料创新与电池装置集成之间存在巨大的差距。例如，高性能电催化剂通常在MEA中出现快速降解。这个问题极大地限制了PEM燃料电池的发展。近日，华盛顿州立大学Lei Dong，王勇太平洋西北国家实验室Yuyan Shao等人 综述了基于燃料电池MEA中低PGM和无PGM催化剂的降解以及通过改善材料来解决这些问题最新进展。综述突出了降低MEA性能的关键因素，讨论了具有创新的新兴的材料概念以及低PGM和无PGM催化剂的开发。
文章要点：
1）对于在阴极使用低PGM或无PGM催化剂的燃料电池，不稳定性已成为最大的挑战之一。性能下降主要与电催化剂和电极结构的不稳定性有关。高度氧化的酸性环境通常会导致材料降解，例如碳腐蚀和金属溶解。同时，产生高氧化性中间体过氧化氢/自由基的双电子ORR过程可能会加速催化剂和离聚物/膜的降解。此外，传质对于MEA的性能起着重要作用，一旦催化剂降解并导致二次失活，界面和结构破坏等，传质就会恶化。
2）综述了用于PEM燃料电池的低PGM催化剂（1）降解机制（PGM纳米颗粒的金属溶解，低载PGM催化剂的传质阻力的增加，碳载体的腐蚀。）同时，指出，中/重型燃料电池中的催化剂稳定性与轻型燃料电池具有不同的降解机理，值得进一步研究；（2）基于催化剂材料的解决方案（稳定的PGM催化剂，先进的碳和非碳载体材料，合理设计催化剂层架构）
3）用于PEM燃料电池的不含PGM的催化剂（1）降解机制（Fe脱金属，碳腐蚀，活性部位中毒和微孔溢流等，其中脱金属和碳腐蚀最多）；（2）基于催化剂材料的解决方案（构建稳定的M‐Nx，稳定的碳基质和自由基清除剂，合理设计催化剂层架构）。
4）需要对低PGM和无PGM催化剂的降解机理的基本理解有更进一步的了解，例如，对整个衰变每个降解因子进行量化，这样，可以精确设计材料解决方案，以解决燃料电池在不同应用中的不稳定性问题，例如，轻型与重型车辆。此外，操作与降级机制之间的关系也需要研究。因此就需要进一步发展诸如X射线光谱学和成像等先进技术，特别是一些先进的原位/操作技术。原位纳米级X射线计算机断层扫描（nano-CT）用于研究操作过程中阴极的结构演变。ICP-MS和DEMS用于检测降解中间体。此外，与物理和化学表征相集成的建模，模拟和诊断对于理解和量化降解也是非常重要。
Du, L., et al, Low‐PGM and PGM‐Free Catalysts for Proton Exchange Membrane Fuel Cells: Stability Challenges and Material Solutions. Adv. Mater. 2020
DOI：10.1002/adma.201908232
https://doi.org/10.1002/adma.201908232
