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在氢燃料电池中，传统电极通常由催化剂颗粒随机堆叠而成。这种电极有着明显的缺陷——催化剂利用率较低。天津大学焦魁教授团队基于静电纺丝技术研发出一款新型电极，通过静电纺丝技术，将催化剂颗粒像蚕吐丝一样串成线，再经过处理层层构筑成新型电极。该新型电极具有高比表面积、高孔隙率和大孔径等特点。日前，这一成果的相关论文在《科学通报》(Science Bulletin)上发表。

氢能因其高能量密度而被认为是一种极具前景的清洁能源，引起了全球的广泛关注。在氢能技术中，质子交换膜燃料电池以其高功率密度、零排放和快速响应等优势脱颖而出，其能够将氢能高效转化为电能，已广泛应用于交通运输、固定式发电和便携式电源等领域。

“理想的燃料电池电极结构应具备良好的三相反应界面，能够促进电池内部的气体扩散与液态水管理。”焦魁教授介绍，相比传统颗粒堆叠电极，该新型电极具有梯度孔隙率、更大的孔和更低的迂曲度，可明显改善低铂燃料电池的电化学性能和耐久性。

与此同时，论文的第一作者天津大学英才副教授樊林浩介绍，相对较高的成本是燃料电池大规模商业化的主要障碍之一。氢燃料电池目前使用到贵金属铂，减少铂用量的同时提高其性能和耐久性，对于降低燃料电池成本至关重要。

“新型电极结构要能够同时实现铂用量的减少与耐久性的提高，这对于推动燃料电池的商业化非常重要。”樊林浩介绍，这种新型电极结构显著提升了铂利用率和物质传输效率，并有效抑制了铂的溶解、沉积和离子扩散，可使铂载量由现在商用产品的0.2克/千瓦左右降到0.1克/千瓦，且表现出更为优异的耐久性。

▲低铂燃料电池的新型纳米纤维电极结构示意图。

据了解，焦魁教授团队2021年在《自然》(Nature)上曾发表关于氢燃料电池的综述长文，其中也展望了未来燃料电池膜电极的设计路线。本工作所设计的新型纳米纤维电极同时实现了铂用量的减少与耐久性的提高，这一进展有可能改变燃料电池反应电极的设计，有利于克服质子交换膜燃料电池商业化的成本和耐久性障碍。此外，该新型纳米纤维电极不仅能够应用于燃料电池，在其他电化学装置，比如水电解槽、二氧化碳还原电解槽等领域，也具备一定的适用性。