? ? ? 質子交換膜電池和和氧化還原液流電池有共同的組成材料和設備設計，電催化是兩者共同的關鍵部位。這兩個方面近些年取得了很大的進展，燃料電池的車輛已經(jīng)商業(yè)化，大規(guī)模液流電池應用于可再生能源的儲存。但是仍然存在一一定的局限使他不能大規(guī)模推廣，對于燃料電池價格昂貴和續(xù)航有限是主要限制因素，主要和鉑為基礎的電催化劑有關，根據(jù)美國能源部的分析PEM電池中，電極催化劑占電池造價的一半；液流電池也是被造價和可靠性所限制。這篇文章主要分析了西北太平洋實驗室在這些方面所做的工作氛圍以下幾個方面（1）無損功能化石墨碳負載鉑提高他的電催化性能（2）金屬碳金屬氧化物三聯(lián)體提高鉑的性能（3）氮摻雜和金屬摻雜的碳以提高氧化還原反應
1.PEM燃料電池電催化
? ? ? ?電池的造價可以通過規(guī)?；纳a(chǎn)來降低，或者是減少貴金屬Pt的使用，通過一些組的努力，現(xiàn)在已經(jīng)取得不錯的進展。
? ? ? 但是當鉑的使用量減少到很低時，就會出現(xiàn)電池性能的退化，退化的原因有很多，其中電催化部分的退化是主要因素。退化模型可以認為是這樣進行的:（1）鉑在溶解和沉積過程的燒結；（2）鉑在納米粒子分散和聚合中的凝結（3）鉑從載體上分離進入電解質；（4）載體的腐蝕?，F(xiàn)在的改進方式主要在使用鉑合金和使用持久的載體。載體在穩(wěn)定固定鉑納米顆粒和質量轉移管理上起到關鍵作用。已經(jīng)有研究發(fā)現(xiàn)，質量的損失和電阻的增大直接相關。穩(wěn)定的陶瓷材料是一個可替代的選擇，但是半電池測定的結果合全電池設備的表現(xiàn)不一致限制了使用，可能是陶瓷材料和離子聚合物薄膜在傳導性能和界面上不匹配造成。石墨化碳對于抗腐蝕有很好的效果可以提高持久性，而且與以前的碳催化很相似，容易應用在真正的燃料電池中，但是他的缺點就是鉑不能均勻的包覆在表面因為疏水性和缺乏活性位。一個改進方法就是增加官能團或者制造缺陷，但是這樣又會給持久性帶來損失。
? ? ? 基于此有課題組設計了無損功能化石墨碳負載鉑提高電催化性能，他們使用聚合電解質作為功能化材料，聚合電解質是一類鏈節(jié)中有導電離子的高分子，有良好的電子傳導性能，實驗中采用的物質是PDDA和PAH，經(jīng)過修飾后的石墨化碳不僅能很好的分散鉑納米粒子，而且提高了穩(wěn)定性和催化表現(xiàn)，同時說明聚合物在金屬和載體之間形成了很好電子傳導薄膜。研究人員常識了納米管，石墨烯納米片，和多孔碳，都取得了很好的效果。帶正電荷的離子聚合物包覆在石墨的疏水表面，由于離子聚合物的兩親性能很好地結合，使得石墨化碳很在溶液中很好存在同時也為鉑納米粒子提供很好的活性位點（鉑的前驅體帶負電荷，有靜電作用），同時這種方法對于合金粒子也能很好作用。研究鉑和離子聚合物PDDA相互作用發(fā)現(xiàn)鉑和PDDA上的N原子之間存在類似于金屬和載體之間作用的作用就像幾十年前發(fā)現(xiàn)的鉑-二氧化鈦相互作用一樣。渣中相互作用可能促進了氧化還原過程中的電子傳遞，從而降低了鉑的氧化階，同時減少了鉑的溶解，增加了持久性。另一個發(fā)現(xiàn)是PDDA與碳納米管和石墨烯結合后表現(xiàn)出氧化催化活性。這種用電解聚合物分散金屬離子的方法也可能用在其他方面。
? ? ? 另一項研究是用氧化物包袱石墨化碳，研究人員使用銦錫氧化物體系（ITO）包覆石墨碳，因為這個體系電導性很好，同時實驗發(fā)現(xiàn)他能很好的分散在石墨碳表面，而鉑可以嵌入ITO的縫隙，形成一個三聯(lián)體體系，但是鉑納米粒子直接分散在石墨碳表面的會嚴重聚合，這個可以歸因于兩者界面上的異相成核現(xiàn)象，通過DFT計算也可以發(fā)現(xiàn)Pt-ITO-石墨烯三聯(lián)體的體系是熱力學最低能量，ITO-石墨烯可以認為是認為的制造了結構缺陷幫助鉑更好的分散，下一步工作就是將該體系應用于實際的電池?？偨Y起來三聯(lián)體體系能提高穩(wěn)定性和持久性在于以下三個方面：（1）ITO可以保護石墨烯不被腐蝕（2）DFT計算表示在氧化環(huán)境下Pt-ITO/石墨烯的作用能量更高（3）XPS表征結果顯示鉑和二氧化錫之間存在更強的金屬載體相互作用。
通過實驗表征可以看到鉑和石墨碳之間存在電子傳導，因此不一定需要導電性的氧化物，可以拓寬氧化物的選擇范圍。同期報道的替代材料像陶瓷材料中的二氧化鈦、3M納米結構薄膜（NSTF）不一定能將材料在半電池的優(yōu)良特性轉移到真實的電池中。
2.氧化還原液流電池（RFB）電催化
液流電池有兩個儲存儲能電解液的容器，電解液被泵輸送到電極表面參與反應。能量輸出取決于電解質的濃度和體積，能量密度取決于接觸表面積和電流密度。
目前發(fā)展較為成熟的全釩液流電池，其基本構造是一個被選擇性滲透膜隔開的腔體，腔體的兩側各有一個固體電極。如果我們在腔體的兩側分別加入含有兩種不同釩離子的酸溶液，那么在電池放電時，兩級分別會發(fā)生這樣的反應：
正極：VO2++e- +2H+→ VO2++ H2O
負極：V2+→ V3++ e-
總的結果是兩種含有釩的化合物變成了另外兩種釩的化合物，而反應中產(chǎn)生的電能就通過電極源源不斷地輸出到外部電路中。而電池充電時，上面這個反應又反過來進行。
液流電池的能量密度比鋰離子電池低輸出功率比超級電容器低，但是他有兩大優(yōu)點：能量輸出可以去耦、能量儲存和反應是分開的。前者可以保證能量輸出在一個大的范圍內都可以實現(xiàn)，后者保證了電池的安全性，可控性。
液流電池的電極很重要，電極表面最好是高表面積，多孔，高活性，同時高穩(wěn)定性，一般的液流電池中的電極為石墨氈，低價，導電性好，酸性條件下穩(wěn)定性好，但是電化學活性比較低，一般是修飾一些官能團，用一些金屬，金屬氧化物納米粒子電催化劑修飾也是一個思路。通過這些方法可以提高活性，降低過電位。下面介紹兩個例子
（1）氮摻雜的碳
很早就被報道有很好的電催化活性，被用在生物傳感，能量轉換，能量儲存和液流電池。氮摻雜之后的碳表面積增大，反應熱增發(fā)，電阻減小。結構上來看，氮摻雜的石墨烯碳原子正電性更高同時N原子提供五個加點字可以形成更強的π鍵，同時還會提高c原子的堿性和電子傳導能力，更有利于還原過程，對于全釩電池，包含了釩氧鍵的生成和斷裂，更大的離域π體系提高了對釩氧鍵化學吸附降低了反應能量（有研究表明，[VO]2+?[VO2]+過程可能有V-N鍵生成）
（2）金屬（氧化物）碳的納米復合材料
鉍納米粒子和W-Nb2O5摻雜的碳復合納米材料。
