燃料电池的黄金时代，探索直接甲醇技术的无限潜能
前言：当前的能源主要来自化石燃料，它们产生二氧化碳和其他温室气体，这些气体对全球气候变化负有责任。
为了最小化温室效应的不良影响，世界需要适当转变正在使用的能源来源。
因此开发清洁能源是平衡经济、社会发展和环境保护的共同关注点。燃料电池是在交通和通信应用中最具前景的能源之一。
与内燃机相比，燃料电池环保、耐用、降低噪音等优点突出。
目前主要的燃料电池包括碱性燃料电池、聚合物电解质膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、磷酸燃料电池和固体氧化物燃料电池。
在各种燃料电池中，除了环保的优势，直接甲醇燃料电池简称“DMFC”还具有高能量密度。DMFC是一种使用甲醇直接作为燃料的流行型燃料电池之一。
DMFC使用液体燃料，在常温下工作，具有良好的能量密度，易于储存和运输。
酸性或碱性膜电极组件是DMFC的主要组成部分，其中聚合物电解质膜的两侧与阳极和阴极催化层接触。
传统上，阳极使用PtRu/C或PtRu催化剂，而阴极使用Pt/C或Pt 。气体扩散层与催化层紧密结合，有助于反应物分布、电流收集和催化保护。
在DMFC中，由于甲醇和水之间的相互作用，在阳极发生电化学反应，产生质子和电子。
具体来说在阳极上，一个甲醇分子与一个水分子反应，形成六个质子和六个电子。
这些质子可以自由地穿过电解质朝向阴极移动，而电子可以通过外部负载传导。此外甲醇的氧化还会产生二氧化碳。
与此同时，在阴极上，氧气电催化还原反应形成水。阳极上的电子数量大于阴极上的电子数量，导致两个电极之间建立了电势差。
早在上世纪50年代初，人们就开始对甲醇燃料电池使用的阳极和阴极电催化剂进行研究。
最初甲醇燃料电池使用碱性电解质，阳极催化剂采用镍或铂进行甲醇的电氧化反应，氧还原过程中使用银。
关于使用酸性电解质替代的研究表明，在这种环境下甲醇的电氧化动力学比碱性环境下慢。
然而使用液体碱性电解质的DMFC存在一个主要的缺点，即会形成碳酸盐，而使用酸性电解质的DMFC具有更好的前景。
一些科学家们对Pt-Sn双金属催化剂进行了系统研究，促进了双金属催化剂在DMFC中的应用。
除了Pt-Sn之外，Pt-Ru也是最有潜力的阳极配方双金属催化剂，但与Pt-Sn双金属催化剂相比，它仍然被低估。
在20世纪60年代，通过一些学者的研究，Pt-Ru体系，特别是Pt与Ru形成固溶体的组合，展示出巨大的潜力应用。
上世纪60年代到70年代间，许多不同的研究团队通过寻找或改进适合的催化剂作为双金属催化剂基于甲醇氧化构建双功能理论的前提，进行了关于阳极过程的研究。
二十年后，对DMFC最有前景的系统，主要是Pt-Ru进行了结构、表面和电子性质的研究。
包括扩散层和支撑层在内的电极结构的研究也引起了很多关注。
这些研究的目标大多是通过将不同金属与铂结合来增强催化活性，提高反应速率，并最小化由甲醇残留物引起的毒化。
研究发现，使用金属合金可以改变电子表面结构、物理结构以防止CO中毒。
20世纪90年代是DMFC技术的重要进展阶段，早期应用于便携式电子设备。
而DMFC是燃料电池中最有潜力的候选之一，然而DMFC在甲醇电化学氧化过程中存在着电化学反应速率慢、甲醇穿透和阳极侧气体管理等问题需要改进。
在甲醇电化学氧化过程中，各种表面中间体，如CO、COHads、HCOads、HCOOads会形成并强烈吸附在催化剂表面。
结果导致甲醇分子无法进行下一步反应，从而减慢氧化反应的速度。此外由于在被氧化为CO2之前，中间体的少部分会脱附，燃料效率也会降低。
正因如此再研究开发适合的催化剂以防止CO中毒并提高DMFC效率是一个关键问题之一。
其中最常见便是一氧化碳，它通过在阳极催化剂上的吸附和去质子化反应产生的，限制了甲醇氧化的速率。
具体来说如果CHO或COH直接进行脱氢反应，就会形成一氧化碳。因此催化剂的活性位点会减少，从而限制了下一步反应的进行。
结语：与纯铂相比，两组分铂合金通常具有更好的甲醇氧化效率和对CO中毒的耐受性。
在铂合金中，铂钌合金由于具有低起始电位、高催化活性和高CO耐受性而备受关注。
当铂钌合金与第三种合适的金属结合时，DMFC的性能可以进一步提高。
迄今为止，已成功合成了具有不同形貌的铂钌M纳米颗粒，并且它们表现出比传统的铂钌更高的甲醇氧化活性。
基底和形貌也是操控燃料电池性能的重要因素，因此各种基底已被用于DMFC催化剂。
发现碳纳米管和石墨烯是两种最常见的支撑材料，可以减轻碳Vulcan的缺点，从而提高燃料电池的效率。
功能化和掺杂方法是进一步改进和寻找最佳基底的发展方向。有趣的是，碳纳米管和石墨烯基底的组合对于甲醇氧化具有良好的性能。
