你是否想过，未来的汽车可能不再依赖汽油，而是通过“喝”氢气就能跑？质子交换膜燃料电池（PEMFC）正是实现这一愿景的核心技术——它能将氢气和氧气的化学能直接转化为电能，零排放、高效率，被视为清洁交通的“未来心脏”。但现实中，PEMFC的推广却卡在了“性能瓶颈”：催化剂成本高、寿命短，气体传输效率低……最近，我国华中科技大学团队在《Frontiers in Energy》上发表的一项研究，为这些问题找到了关键“破局者”——介孔碳材料。

传统材料“拖后腿”，介孔碳为何成“新宠”？

PEMFC的核心部件是膜电极（MEA），其中催化剂层和气体扩散层的性能直接决定了电池效率。传统碳材料（如碳黑）虽然便宜，但孔结构像“迷宫”——有的孔太小（微孔），气体进不去；有的孔太大太乱，催化剂颗粒容易团聚，还会被离子膜“毒化”（离子膜中的磺酸基团覆盖催化剂活性位点）。这些问题导致催化剂利用率低、寿命短，成为PEMFC商业化的“拦路虎”。

介孔碳的“出场”让情况有了转机。它的孔道尺寸在2-50纳米之间，像“定制的高速公路”——高比表面积能为催化剂提供更多“落脚点”，可调的孔结构能精准控制气体和质子的传输路径，还能通过表面修饰（比如掺杂氮元素）减少离子膜对催化剂的“干扰”。打个比方，传统碳材料的孔道像“拥堵的老城区街道”，而介孔碳的孔道则是“规划整齐的快速路”，气体和质子跑得更快、更顺。

合成有“巧招”，三种方法各显神通

要让介孔碳“听话”，合成技术是关键。研究团队总结了三种主流方法：

• 硬模板法：像“纳米级铸模”，先用二氧化硅等材料做模板，把碳源填进去高温碳化，再溶解模板，得到规则的介孔结构。这种方法能精准控制孔道大小，但模板去除麻烦，容易破坏材料结构。
• 软模板法：用表面活性剂或高分子聚合物做“自组装向导”，通过分子间的相互作用形成介孔，成本更低，但孔结构的均匀性稍差。
• 无模板法：直接通过化学反应“长”出介孔，省去了模板步骤，但需要严格控制反应条件（比如温度、浓度），否则孔道容易“乱成一团”。

实验数据显示，用硬模板法合成的有序介孔碳（CMK-3）作为催化剂载体时，氧传输阻力仅3 s/cm，比传统高表面积碳（15.9 s/cm）低了80%；用软模板法制备的介孔碳纳米纤维，能让催化剂在3万次循环后性能仅下降18.5%，远优于商用铂碳催化剂的67%衰减。

应用场景广，但挑战仍在

目前，介孔碳已在PEMFC的两大核心部件中展现潜力：

• 催化剂载体：它的介孔结构能“锁”住催化剂颗粒，减少溶解和团聚；表面修饰还能调节催化剂的电子结构，提升反应活性。比如，负载铂钴合金的介孔碳催化剂，质量活性是传统碳载体的3倍以上。
• 气体扩散层：介孔碳的分级孔道（大孔导气、小孔排水）能平衡气体传输和水管理，避免“水淹”（水堵塞孔道导致反应中断）。实验中，使用介孔碳的气体扩散层，电池峰值功率密度比传统碳黑提升了13%。

不过，介孔碳的“进阶之路”仍有难点：部分合成方法成本高、孔结构调控不够精准；长期运行中，介孔结构可能因机械应力或电化学腐蚀“塌陷”。论文作者提到，未来需在三方面发力：开发可回收模板降低成本，通过机器学习预测最佳孔结构，利用生物质（如柚子皮、秸秆）等廉价碳源实现大规模生产。

“介孔碳像一块‘万能拼图’，通过设计不同的孔道和表面特性，能适应燃料电池的多样化需求。”研究团队表示，未来它可能出现在氢燃料电池汽车、无人机甚至便携式发电设备中，让“氢能源时代”离我们更近一步。

来源: FIE能源前沿期刊