燃料電池的黃金時代，探索直接甲醇技術的無限潛能
前言：目前的能源主要來自化石燃料，它們産生二氧化碳和其他溫室氣體，這些氣體對全球氣候變化負有責任。
為了最小化溫室效應的不良影響，世界需要适當轉變正在使用的能源來源。
是以開發清潔能源是平衡經濟、社會發展和環境保護的共同關注點。燃料電池是在交通和通信應用中最具前景的能源之一。
與内燃機相比，燃料電池環保、耐用、降低噪音等優點突出。
目前主要的燃料電池包括堿性燃料電池、聚合物電解質膜燃料電池、直接甲醇燃料電池、磷酸燃料電池和固體氧化物燃料電池。
在各種燃料電池中，除了環保的優勢，直接甲醇燃料電池簡稱“DMFC”還具有高能量密度。DMFC是一種使用甲醇直接作為燃料的流行型燃料電池之一。
DMFC使用液體燃料，在常溫下工作，具有良好的能量密度，易于儲存和運輸。
酸性或堿性膜電極元件是DMFC的主要組成部分，其中聚合物電解質膜的兩側與陽極和陰極催化層接觸。
傳統上，陽極使用PtRu/C或PtRu催化劑，而陰極使用Pt/C或Pt 。氣體擴散層與催化層緊密結合，有助于反應物分布、電流收集和催化保護。
在DMFC中，由于甲醇和水之間的互相作用，在陽極發生電化學反應，産生質子和電子。
具體來說在陽極上，一個甲醇分子與一個水分子反應，形成六個質子和六個電子。
這些質子可以自由地穿過電解質朝向陰極移動，而電子可以通過外部負載傳導。此外甲醇的氧化還會産生二氧化碳。
與此同時，在陰極上，氧氣電催化還原反應形成水。陽極上的電子數量大于陰極上的電子數量，導緻兩個電極之間建立了電勢差。
早在上世紀50年代初，人們就開始對甲醇燃料電池使用的陽極和陰極電催化劑進行研究。
最初甲醇燃料電池使用堿性電解質，陽極催化劑采用鎳或鉑進行甲醇的電氧化反應，氧還原過程中使用銀。
關于使用酸性電解質替代的研究表明，在這種環境下甲醇的電氧化動力學比堿性環境下慢。
然而使用液體堿性電解質的DMFC存在一個主要的缺點，即會形成碳酸鹽，而使用酸性電解質的DMFC具有更好的前景。
一些科學家們對Pt-Sn雙金屬催化劑進行了系統研究，促進了雙金屬催化劑在DMFC中的應用。
除了Pt-Sn之外，Pt-Ru也是最有潛力的陽極配方雙金屬催化劑，但與Pt-Sn雙金屬催化劑相比，它仍然被低估。
在20世紀60年代，通過一些學者的研究，Pt-Ru體系，特别是Pt與Ru形成固溶體的組合，展示出巨大的潛力應用。
上世紀60年代到70年代間，許多不同的研究團隊通過尋找或改進适合的催化劑作為雙金屬催化劑基于甲醇氧化建構雙功能理論的前提，進行了關于陽極過程的研究。
二十年後，對DMFC最有前景的系統，主要是Pt-Ru進行了結構、表面和電子性質的研究。
包括擴散層和支撐層在内的電極結構的研究也引起了很多關注。
這些研究的目标大多是通過将不同金屬與鉑結合來增強催化活性，提高反應速率，并最小化由甲醇殘留物引起的毒化。
研究發現，使用金屬合金可以改變電子表面結構、實體結構以防止CO中毒。
20世紀90年代是DMFC技術的重要進展階段，早期應用于便攜式電子裝置。
而DMFC是燃料電池中最有潛力的候選之一，然而DMFC在甲醇電化學氧化過程中存在着電化學反應速率慢、甲醇穿透和陽極側氣體管理等問題需要改進。
在甲醇電化學氧化過程中，各種表面中間體，如CO、COHads、HCOads、HCOOads會形成并強烈吸附在催化劑表面。
結果導緻甲醇分子無法進行下一步反應，進而減慢氧化反應的速度。此外由于在被氧化為CO2之前，中間體的少部分會脫附，燃料效率也會降低。
正因如此再研究開發适合的催化劑以防止CO中毒并提高DMFC效率是一個關鍵問題之一。
其中最常見便是一氧化碳，它通過在陽極催化劑上的吸附和去質子化反應産生的，限制了甲醇氧化的速率。
具體來說如果CHO或COH直接進行脫氫反應，就會形成一氧化碳。是以催化劑的活性位點會減少，進而限制了下一步反應的進行。
結語：與純鉑相比，兩組分鉑合金通常具有更好的甲醇氧化效率和對CO中毒的耐受性。
在鉑合金中，鉑钌合金由于具有低起始電位、高催化活性和高CO耐受性而備受關注。
當鉑钌合金與第三種合适的金屬結合時，DMFC的性能可以進一步提高。
迄今為止，已成功合成了具有不同形貌的鉑钌M納米顆粒，并且它們表現出比傳統的鉑钌更高的甲醇氧化活性。
基底和形貌也是操控燃料電池性能的重要因素，是以各種基底已被用于DMFC催化劑。
發現碳納米管和石墨烯是兩種最常見的支撐材料，可以減輕碳Vulcan的缺點，進而提高燃料電池的效率。
功能化和摻雜方法是進一步改進和尋找最佳基底的發展方向。有趣的是，碳納米管和石墨烯基底的組合對于甲醇氧化具有良好的性能。
