直接甲醇燃料電池(DMFC)是將甲醇氧化反應(yīng)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的一種發(fā)電裝置，其工作原理非常簡單，主要由陰極、陽極、質(zhì)子交換膜及雙極板等組成。工作時(shí)，甲醇在陽極上被催化氧化為CO2和H2O，同時(shí)產(chǎn)生6個(gè)電子和6個(gè)質(zhì)子，其中質(zhì)子經(jīng)質(zhì)子交換膜由陽極到達(dá)陰極，在催化劑作用下使陰極室的氧還原，生成H2O。電子經(jīng)外電路由陽極到達(dá)陰極，并通過外電路做功并構(gòu)成電回路。DMFC結(jié)構(gòu)簡單、方便靈活，工作時(shí)間只取決于燃料攜帶量而不受限于電池的額定容量，近年來倍受產(chǎn)業(yè)界青睞。DMFC在發(fā)電過程中，無需經(jīng)過卡諾循環(huán)，具有能量轉(zhuǎn)化效率高、低排放和無噪音等優(yōu)點(diǎn)，另外還具有常溫使用、燃料攜帶補(bǔ)給方便、體積和重量比能量密度高等優(yōu)勢，特別適合于作為小型可移動(dòng)及便攜式電源，在國防、能源和通訊等領(lǐng)域有著潛在的廣闊應(yīng)用前景。
    目前制約DMFC商業(yè)化的一個(gè)主要障礙是“甲醇滲透問題”。這是因?yàn)�，DMFC普遍使用的Nafion系列全氟磺酸型質(zhì)子交換膜具有較高的甲醇透過率，甲醇能夠從陽極穿過質(zhì)子交換膜進(jìn)入到陰極，而由于陰極一般使用Pt作催化劑，氧還原和甲醇氧化會(huì)同時(shí)發(fā)生，因此產(chǎn)生“混合電位”，嚴(yán)重降低燃料的效率和電池的輸出功率。而且甲醇在陰極的氧化也使其利用率降低。此外，擴(kuò)散過來的甲醇及其氧化的中間產(chǎn)物還會(huì)使陰極Pt催化劑中毒，影響Pt對(duì)氧還原的催化活性。由于甲醇滲透的存在，DMFC一般都使燃料甲醇濃度維持在4 M以下。但要和目前市場上占主流的鋰離子電池競爭，DMFC使用的甲醇濃度需提高到9 M以上以有效提升電池的能量密度。傳統(tǒng)的克服DMFC中甲醇滲透的策略包括改善燃料進(jìn)料系統(tǒng)、提升質(zhì)子膜性能、修飾電池電極結(jié)構(gòu)和增加水管理系統(tǒng)等，這些策略一定程度上確實(shí)改善了電池的操作性能，但無疑使電池的設(shè)計(jì)趨于復(fù)雜并增加了電池制造的成本。
    中國科學(xué)院過程工程研究所多相復(fù)雜系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員楊軍課題組的研究者們轉(zhuǎn)換研究思路，從制備選擇性催化劑的角度考慮克服DMFC中的甲醇滲透問題，以期降低或擺脫對(duì)質(zhì)子膜的依賴。選擇性催化劑意味著在DMFC的陰極或陽極使用的催化材料只對(duì)陰極或陽極的反應(yīng)有催化作用，對(duì)另一側(cè)的反應(yīng)無活性或活性極低。他們?cè)谏羁汤斫釪MFC中甲醇催化氧化和氧氣催化還原機(jī)理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)貴金屬基異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米材料，充分利用異質(zhì)材料中的晶格應(yīng)變效應(yīng)和電子耦合效應(yīng)調(diào)控材料的催化性能，不僅使材料具有優(yōu)良的催化活性，而且使材料對(duì)DMFC中的甲醇氧化或氧氣還原具有很好的選擇性。具體的，他們使用具有核-殼-殼結(jié)構(gòu)的三元納米復(fù)合材料Au@Ag2S@Pt和具有核殼結(jié)構(gòu)的Au@Pd納米材料分別作為DMFC的陽極和陰極電催化劑。對(duì)于前者，三元材料中的電子耦合效應(yīng)使Pt原子的電子云密度增加，能夠抑制一氧化碳(CO)和氧氣(O2)分子在Pt原子上的吸附，使其具有優(yōu)良甲醇氧化活性的同時(shí)具有較弱的氧化還原活性；而對(duì)于后者，由于晶格參數(shù)和電負(fù)性的差異，Au內(nèi)核施加在超薄Pd殼層上的晶格拉伸效應(yīng)和電子耦合效應(yīng)很好地提升了Pd催化氧氣還原的活性，而又由于Pd在酸性介質(zhì)中對(duì)甲醇氧化沒有活性，使這種核殼結(jié)構(gòu)材料成為DMFC陰極選擇性催化劑合適的候選。研究者們研究了催化劑的制備、放大和表征，在利用無質(zhì)子膜DMFC模型證實(shí)了催化劑選擇性的基礎(chǔ)上，成功組裝了DMFC單電池(如圖)。測試表明，在甲醇濃度為10 M時(shí)，電池輸出的功率密度為89.7 mW/cm2，遠(yuǎn)高于近年來報(bào)道的使用其它策略實(shí)現(xiàn)高濃度甲醇下操作的DMFC的輸出功率密度。在甲醇濃度提升至15 M時(shí)，電池輸出功率略微下降，仍能維持82.7 mW/cm2的功率密度輸出。
     上述相關(guān)研究得到了國家自然科學(xué)基金(No. 21376247, 21506225, 21573240)和中科院過程工程所介尺度研究中心(COM2015A001)的資助。該研究結(jié)果發(fā)表于美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)(AAAS)出版的國際期刊《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances, 2017, 3: e1700580）。