研究背景
燃料电池（Fuel Cells）是一种高效且无污染的能源动力系统，它是将储存在氢气、甲醇、乙醇、甲酸等燃料与空气或氧气等氧化剂发生反应并将化学能转化为电能的一种转换装置。燃料电池是一种能够持续的通过发生在阳极和阴极的氧化还原反应将化学能转化为电能的转换装置。燃料电池与常规的电池区别在于，它工作时需要连续的不断地向电池内输入燃料和氧化剂，只要持续供应，燃料电池就会不断提供电能。燃料电池是直接将燃料的化学能环境友好、高效地转化为电能的新能源技术，因为它的能量转换效率高、对环境影响小、燃料多样化等诸多优点，受到广泛关注；被称作是继水力、火力、核能之后第四代能量转换发电技术。
燃料电池通常包括阳极（燃料极）、阴极（空气极或氧气极）和离子导电的电解质构成。当燃料电池工作时，气体燃料或有机液体燃料源源不断地通到阳极，而空气或者氧气则通到阴极，气体或有机液体燃料在阳极发生氧化反应，失去的电子通过外电路流向阴极，并在阴极与空气或者氧气发生还原反应生成水。电解质隔膜将在阳极发生的氧化反应的燃料和在阴极发生还原反应的空气或氧气分隔并起离子传导的作用。
典型研究
燃料电池材料的研究主要集中在催化剂和催化剂载体材料。催化剂的研究包括贵金属催化剂、过渡金属催化剂、金属/金属氧化物-无机物掺杂催化剂等。燃料电池催化剂载体对于降低贵金属催化剂的用量、提高催化剂的催化活性起着至关重要的作用。
1. 贵金属催化剂：Pt系材料因其良好的分子吸附离解行为成为了最常用的燃料电池催化剂层材料。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，因此研发低铂和非铂系催化剂成为了未来发展的趋势。基于Pt的催化剂有二元金属铂基催化剂以及三元金属铂基催化剂已有研究。
2. 复合型催化剂：过渡金属-氧（硫、氮等）-碳催化剂，这类催化剂具有高电导率和耐腐蚀性能。
3. 载体材料：主要有碳材料和非碳材料。碳材料主要包括碳黑、碳纳米管和石墨烯等。非碳基材料包括二氧化钛、三氧化钨、二氧化铈、氧化锆、氧化铟、氧化铝和导电聚合物等。
4. 负载型催化剂：对降低贵金属催化剂的用量、提高催化剂的催化活性起着至关重要的作用。载体可以与金属纳米粒子之间发生某种相互作用，通过修饰催化剂表面的电子状态，发生协同效应，进而提高催化剂的催化活性。
设备推荐
燃料电池材料性能的测试采用EC701F燃料电池分析系统，以测量电流或者电位变化为主。采用AES-4TH对测试体系的环境进行控制，能避免外界环境（温度、湿度等）对体系的干扰，对研究低温、中温及高温燃料电池的测试提供了可控稳定的环境，同时也提高了测量的重复性。
1. 测量设备
EC701F燃料电池分析系统：提供电流-电位分析、电位-时间分析、阻抗分析等。设备性能稳定，测量精度高。可以采用三电级或者两电极进行测试。
2. 耗材及配件
电极配件、旋转圆盘电极、旋转圆环电极，高级密封电解池等。
典型结果
循环伏安测试（CV）：是一种常用的电化学研究方法。该法控制电极电势以不同的速率，随时间以三角波形一次或多次反复扫描，并记录电流-电势曲线，根据曲线形状可以判断电极反应的可逆程度、中间体相界吸附或新相形成的可能性等。常用来测量电极反应参数，判断其控制步骤和反应机理。
线性扫描（LSV）：测定电流密度响应外加电压线性变化的方法，是测试催化剂性能的主要方法之一。由于扫描速率比较慢，从线性扫描曲线中可以得到起峰电位等具体表征催化剂性能的参数。研究电极表面电流密度的分布情况、减少或消除扩散层的影响，电化学研究人员通过对比各种电极以及搅拌方式，开发出了一种高速旋转的电极-旋转圆盘电极（rotating disk electrode，RDE）。当电极旋转时，通过改变转速，可改变电极的控制步骤和获得不同的极限扩散电流，作为研究电化学动力学的重要参数，通过极限电流可计算得到一些复杂催化反应的过程机理和金属材料腐蚀、钝化电位等信息。采用旋转圆盘电极或者旋转圆环电极，测试不同转速下的电流密度与电压的变化，得到旋转圆盘电极在不同电位条件下的 Koutrcky-Levich 曲线，从而评价材料的ORR催化性能。
i-t 测试：是测量某一电位下电流密度随时间变化的重要方法。测量曲线可以评价催化剂的活性和稳定性，这对催化剂实际应用性能的考察很重要。在氧化过程中，从曲线的高低和变化率可以看出氧化电流的大小和衰减情况，从而推断出催化剂在氧化过程中的稳定性。
交流阻抗测试（EIS）：交流阻抗法是一种利用小幅度交流电压或电流对电极扰动，进行电化学测试的方法。从获得的交流阻抗数据，可以根据电极的摸拟等效电路，如等效串联电容、电荷转移电阻等，进而分析电极结构在电化学过程中的阻抗特性及动力学性质，计算相应的电极反应参数。
XRD：主要是分析催化剂中元素的种类和晶型，计算电催化剂的平均粒径和晶格常数。
XPS：利用原子中电子的特征结合能来进行样品的表面组成分析、化学状态分析和元素成分的深度分析。
扫描电子显微镜（SEM）：是介于透射电镜和光学显微镜测量尺度之间的一种微观形貌观察仪器，可直接利用样品表面材料的物质性能进行微观成像，主要用于样品表面形貌表征。
透射电子显微镜技术（TEM）：主要用于观测催化剂粒子的形貌、粒径以及分散度，是一种较为常用的微观表征手段。
N2吸附脱附：主要得到催化剂的比表面积和孔径分布情况。
参考文献
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