氢燃料电池若要实现普及，成本高昂以及寿命方面的问题乃是不可回避的阻碍，然而一项源自天津大学的最新研究，正尝试借助全新的方式去破解这一难题。

传统电极的结构瓶颈

长久以来，氢燃料电池的电极制造依靠的是一种相对“粗放”的方式，这种方式会把催化剂颗粒，主要是价格高昂的铂，当成沙土那样随意堆叠集合起来，这般的结构看起来较为简单，然而其内部孔隙处于一种混乱无序的状态，大部分的催化剂颗粒都被深埋于深层次之处，根本没办法触及到参与反应进程的氢气以及氧气。

这致使大量的贵金属铂事实上处于“闲置”状况，其利用率相当低。天津大学焦魁教授团队表明，这种按照随机方式堆叠的电极非常难以构建起高效的“气-液-固”三相反应界面，这直接对电池的功率输出以及经济性产生了限制，进而成为技术实现升级的一个关键瓶颈所在。

静电纺丝编织新结构

研究团队转向了一种名为“静电纺丝”的微纳制造技术，目的是突破这一瓶颈。该技术的原理类似“春蚕吐丝”，聚合物溶液会在高压静电场作用下，被拉伸成极其纤细的纳米纤维。研究者有着创新操作，那就是把催化剂颗粒“编织”进这些纤维中。

凭借精密的工艺管控，他们促使催化剂颗粒如同珍珠般串连于纳米纤维线上，随后将这些纤维线逐层架构，进而形成有序的立体网络。这样一种从“随机堆沙”转变至“有序织网”的过程，从根源上改变了电极的微观结构，为后续性能的提升奠定了根基。

新型电极的显著优势

这种全新类型的纳米纤维电极结构带来了诸多方面的优势，首先，它具备很高的比表面积以及孔隙率，这表明有着更多的活性位点能够参与反应，更为关键的是，其孔隙呈现梯度分布，孔径也更大，内部通道更为平直 。

这些特性极大地改进了反应气体朝着催化剂内里的扩散的效率，与此同时也更加有利于反应所生成的水的顺畅排出。焦魁教授在发表于《科学通报》的论文当中进行介绍的时候表示，这种结构有效地降低了物质的传输的阻力，为提升电池性能营造所了理想的条件。

降低铂用量与提升耐久性

降低铂用量以及延长寿命，是针对燃料电池商业化而言的两大核心目标。论文第一作者是樊林浩副教授，其指出，当前商用燃料电池所谓的铂载量，大概是每千瓦0.2克。在使用新型电极结构以后，这样的一个数字，有希望降低到每千瓦0.1克左右。

这可不是单单的用量减半这么简单，因为结构呈现有序状态，铂颗粒的分散以及固定变得更加稳定，极大程度地抑制了它在长期运行期间的溶解、迁移还有团聚。实验显示，新电极在达成低铂载量的情况下，它的耐久性反倒比传统电极更加出色，一下子就解决了性能跟成本之间的矛盾。

推动商业化应用前景

此研究具备的重要意义是，它针对解决质子交换膜燃料电池商业化所存在的核心障碍给予了可行的技术途径。成本以及耐久性始终是对氢燃料电池汽车大规模推广形成制约的关键所在。新型电极结构自设计源头启动，有希望同时降低制造成本并且延长使用期限。

这一进展存在着改变未来燃料电池反应电极设计范式的可能性，研究团队于2021年发表在《自然》的综述里已对相关方向作了展望，本次工作把理论构想转化成了具体的实践成果，朝着实际应用迈进了坚实的一步。

拓展至更广的电化学领域

这项技术的潜力不止于氢燃料电池，研究者表明，这种有序结构且有高活性、高传质效率的纳米纤维，具有相当好的普适性，能够运用于其它关键的电化学能量转换装置里，。

比如，于电解水制氢的装置里头，它能够当作高效电极，去降低制绿氢的能耗。在二氧化碳还原电解槽之中，它同样能够提供更优的反应界面，来助力把二氧化碳转化成有用的燃料或者化学品，呈现出广阔的跨领域应用前景。

经由“纺丝”这种方式去编织高效电极的此项技术，有没有使您对于氢燃料电池能够更快地步入日常生活当中增添了信心呢？欢迎在评论区那儿分享您的看法哟。