质子交换膜燃料电池（PEMFCs）作为氢经济的重要推动者，因其高效、低噪音、低温快速启动及零污染等高科技优势，被视为新能源环保型汽车动力能源的理想选择。然而，PEMFCs的商业化进程受到了贵金属Pt基催化剂高成本及易中毒特性的严重制约。Pt基催化剂不仅在PEMFC成本中占据高达46%的比例，而且其对甲醇和CO的敏感性也限制了PEMFCs的广泛应用。因此，开发低成本、高活性和高稳定性的非贵金属（NPM）催化剂成为PEMFCs技术发展的关键。

　　研究要点

　　1.非贵金属催化剂种类

　　几种非贵金属氧还原反应（ORR）催化剂受到了广泛关注，包括金属氮碳催化剂（M-N-C）、过渡金属氧化物、过渡金属硫化物、过渡金属碳化物和氮化物等。其中，M-N-C催化剂因其比表面积大、孔径分布合理及ORR催化活性高等优点而备受瞩目。M-N-C中的非贵金属元素通常包括Fe、Co、Ni、Cu、Mn等，特别是以Co和Fe为中心原子的M-N-C催化剂研究较多。

　　2.M-N-C催化剂的制备与性能

　　M-N-C催化剂的制备方法和条件对其性能有显著影响。采用模板法制备M-N-C催化剂材料可以增加比表面积，引入足够的活性位点，从而提高其ORR催化活性。例如，利用酞菁铁(II)为Fe、N和C源，采用介孔SiO2为模板制备的Fe-N-C催化剂在ORR催化中表现出良好的性能。此外，金属及其盐的前驱体种类、氮源种类、碳载体类型和热处理条件等也是影响M-N-C催化剂性能的关键因素。

　　过渡金属氧化物作为另一种有潜力的NPM催化剂，具有低成本、高活性和环保等特点。其中，Mn基和Co基氧化物催化剂的ORR催化活性尤为突出。不同价态的Mn氧化物催化剂可以通过调整烧结工艺来合成，其ORR催化活性随Mn价态的上升而不断增强。在Co氧化物催化剂中，CoO和Co3O4也表现出较高的ORR催化活性。

　　3.催化剂性能表征与限制

　　PEMFC中NPM催化剂的性能表征通常涉及原位和异位技术。原位技术如电压-电流（V-I）测量可以提供燃料电池的峰值功率密度和性能损失信息。此外，加速应力测试（ASTs）对于评估PEMFC的耐久性至关重要。然而，当前NPM催化剂在PEMFC中的应用仍面临诸多限制，如需要更高的催化剂负载来补偿其较低的体积活性，导致NPM催化剂层通常比Pt/C催化剂层厚5-10倍，这增加了质量和质子传输的难度。

　　图文解析

　　研究结论

　　尽管过去几年在NPM阴极催化剂的性能方面取得了显著进展，但即使是目前报道的性能最佳的NPM阴极也远未达到实际应用所需的活性和耐久性目标。NPMHOR催化剂的性能更是远远落后于NPMORR催化剂。因此，在NPM阴极达到可行水平之前，研究重点不太可能转向阳极。

　　非贵金属电催化剂在质子交换膜燃料电池中的研究仍面临诸多挑战。为了推动PEMFCs技术的商业化进程，未来的研究应聚焦于优化NPM催化剂的制备工艺，以获得形貌和结构可控、催化性能一致的催化材料。同时，深入探究NPM催化剂的活性位点和催化机理也是关键。此外，开发新型电极设计原则以优化NPM催化剂层的功能性，以及建立标准化的测试协议以评估催化剂在实际应用中的性能，将是推动PEMFCs技术发展的重要方向。随着研究的不断深入和技术的不断进步，非贵金属电催化剂有望在质子交换膜燃料电池领域发挥越来越重要的作用。