什么是催化剂？

　　‌氢燃料电池催化剂的主要作用是促使氢气氧化反应和氧气还原反应的发生，从而产生电能。在燃料电池的电化学反应中，主要涉及两个反应，分别是阳极的氢氧化（HOR）和阴极的氧还原（ORR）。阳极的电化学反应过程很快，阴极的反应过程缓慢，为提高燃料电池的整体反应效率，需要用到催化剂来提高阴极的反应速率。一、氢燃料电池催化剂类型氢燃料电池的主要催化剂类型主要包括以下几种：

　　纯铂催化剂：铂（Pt）具有良好的分子吸附、离解特性，因此铂催化剂成为最理想、也是当前唯一商业化的催化剂材料。铂对氢气的氧化反应（HOR）和氧气的还原反应（ORR）都具有很高的催化活性。铂金属价格昂贵，我国的储存量也非常短缺，Pt昂贵的价格对于燃料电池大规模商业化是个极大的阻碍。

　　低铂催化剂：既然铂金属成本高，科学家们和企业通过与其他金属的合金化来提高催化剂的稳定性和活性，同时也降低对铂的使用量。这些合金主要用的是钴、镍、铁、铜、锌等。

　　非铂基催化剂：由于铂的稀缺性和高成本，研究者们一直在探索非铂基催化剂作为替代方案。这些催化剂主要包括钯基催化剂、非贵金属催化剂和非金属催化剂。非贵金属催化剂包括铁、钴、镍等，非金属催化剂中最常见的是碳基催化剂，如碳纳米管、碳纤维、石墨烯等。非铂基催化剂的活性通常低于铂基催化剂，但它们的成本更低，且在某些条件下可能表现出良好的稳定性和耐久性。

　　催化剂分类除了以上分类，也有一些特殊功能的催化剂正在研发和投入应用当中。双功能催化剂：是指能够同时催化氢气的氧化反应和氧气的还原反应，从而简化燃料电池的结构并提高能量转换效率。一些铂基合金催化剂和非铂基催化剂都被研究用于双功能催化剂的制备。复合催化剂：由多种材料组成，通过材料之间的相互作用来提高催化剂的性能。例如，将铂纳米颗粒负载在具有高比表面积和良好导电性的碳载体上，可以制备出高活性的复合催化剂。铂碳催化剂主要用于燃料电池中的氢气、甲醇、甲酸氧化及氧气还原等反应。这种催化剂因其贵金属成分含量较少而广受欢迎。

　　酶基催化剂：利用生物酶作为催化剂，在较低的温度和压力下实现氢气和氧气的反应。虽然酶基催化剂的活性较低，但它们具有生物相容性和环境友好性等优点，因此在某些特定领域具有潜在的应用价值。

　　二、氢燃料电池催化剂占比氢燃料电池电堆作为核心动力件，成本可占燃料电池系统成本的60%以上（燃料电池电堆由多个单燃料电池叠加组装构成，单电池又包括双极板、密封圈、膜电极（MEA），其中膜电极包括质子交换膜、催化剂层和气体扩散层。）氢燃料电池中技术最成熟的是质子膜燃料电池(PEMFC)，氢燃料电池催化剂作为质子交换膜氢燃料电池膜电极(MEA)的关键材料之一‌，它决定了电池的放电性能和寿命。催化剂作为氢燃料电池电堆的核心部件之一，成本占比最高（36%）。

　　三、氢燃料催化剂的制备技术

      1.浸渍还原法

　　概述：浸渍还原法是最早使用的制备担载型催化剂的方法之一。它通过将贵金属前驱体的盐溶液浸渍到载体上，随后进行还原处理，从而得到催化剂。

　　步骤：将碳载体在溶剂中分散均匀，加入贵金属前驱体浸渍，然后在一定温度下加入过量还原剂或在还原性气氛下热解还原，得到Pt/C催化剂。

　　特点：该方法简单易行，但催化剂颗粒尺寸与载体相关，需要精确控制反应条件以获得理想的催化剂性能。

　　2.胶体法

　　概述：胶体法是在特定溶剂中利用还原剂将催化剂前驱体制备为胶体，并均匀稳定地分散在溶剂中，再与载体结合制备催化剂。

　　特点：胶体法能够制备出粒径分布窄、粒子尺寸小的金属催化剂。为防止催化剂聚集，常使用保护剂如带电表面活性剂或高分子聚合物。

　　3.其他方法

　　多元醇还原法、有机溶剂热法、微乳液法。这些方法也常用于制备氢燃料电池电极催化剂，但由于其较高的制作成本、复杂的工艺控制以及涉及有机试剂使用等弊端，研究者们一直在寻求改进和优化。

　　制备技术的优化

　　材料选择：催化剂的载体材料、贵金属种类及配比等都会影响催化剂的性能。因此，研究者们不断探索新型载体材料和贵金属替代物，以降低成本并提高催化剂性能。

　　工艺优化：通过改进制备过程中的还原条件、优化催化剂的组成和结构、以及采用新型制备技术等手段，可以进一步提高催化剂的活性和耐久性。例如，控制PVP浓度和硝酸溶液浓度、选择合适焙烧温度和顺序等。

　　性能提升：除了降低成本外，研究者们还致力于提高催化剂的催化效率、稳定性和抗中毒能力。这包括通过表面修饰、合金化等手段改善催化剂的微观结构和表面性质。