（通讯员：李松、刘天雨）绿色氢能与新型电化学储能，是我国加快构建清洁低碳、安全高效现代能源体系、扎实推进“双碳”战略目标落地的核心关键技术方向。我院新能源科学与工程系涂正凯研究员团队近年来围绕氢燃料电池、电解水制氢及电化学储能等前沿领域开展系统性研究，相继发表多篇具有重要学术影响力的高水平学术论文，相关成果为我国能源绿色低碳转型与能源安全保障提供了坚实理论支撑与关键技术储备。
（1）质子交换膜燃料电池
发表在Advanced Science（2025, 12(26): 2501825）上的论文研究了质子交换膜燃料电池（PEMFC）在高电流密度（HCD）快速加载条件下的动态性能。该研究通过沿气体流动方向重新配置液体冷却通道的温差设计，实现了PEMFC上游、中游和下游区域的最佳温度分布，显著提高了PEMFC在快速氢载荷下的动态响应性能，从而改善了水-气-热特性。研究发现随着相对湿度的增加，正温度差设计的积极作用逐渐减弱，但其仍有利于电流密度分布的均匀性；当相对湿度为35%时，压力致冷装置设计使总电压损失降低18.2%，电压下降减少12.5%，静态电压稳定度提高5.67%，电力输出提高7%。这种优化温度分布的设计显著提高了质子交换膜燃料电池在快速加载条件下的动态响应性能，从而改善了水-气-热的特性。
论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202501825
发表在Advanced Science（2025, 12(45): e13666）上的论文研究了不同流场设计的PEMFC在快速启动时面对大负载变化的响应能力和耐久性能（20000次运行循环，电流密度在2秒内迅速加载至3000mA/cm2）。性能衰退和膜电极组件劣化的实验和数值模拟结果（图1）表明，具有更均匀气体分布和更强排水能力的五通道蛇形流道（FSFF）显著减轻了电压衰退（平行流道为20.77%，蛇形流道仅为9.11%），同时蛇形流道的催化剂退化抑制效果更好，降低了阴极电荷转移电阻和电化学表面积衰退。五通道蛇形流场设计在快速启动时展现出最佳的大负载变化能力，并且能更有效地减轻性能衰退。这项工作表明，流场设计在应对PEMFC快速启动负载变化时的动态耐久性优化方面发挥着至关重要的作用。
图1各运行循环次数下PEMFC的性能降解评价
论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202513666
发表在eTransportation（2025,26:100506）上的论文为PEMFC驱动无人驾驶飞行器（UAV）的应用型研究成果。该研究开发了集成无人机飞行动力学、空气冷却型PEMFC模型以及质量-热传递多物理场的耦合框架，提出了一种自适应空气化学计量比（ASR）的智能管理策略，能够动态响应载荷和加速度的实时变化（图2）。针对负载量25-40kg以及加速度条件-0.6m/s2到0.6m/s2范围进行的仿真和动态飞行实验验证，系统评估了ASR策略对堆体电压、温度分布、膜水合情况和均匀性等关键性能指标的影响。结果表明，最佳ASR调节可使堆栈电压提高0.170V，减少每100米飞行的氢气消耗2.05mg，降低温度18.32%，并提高效率、电压均匀性和温度均匀性。这项工作强调了动态自适应调节在优化PEMFC性能方面所起的关键作用，尤其是在瞬态负载和温度变化不可忽略的实际无人机飞行条件下。该研究与湖北工业大学合作完成。
图2无人机实验系统
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.etran.2025.100506
（2）电解水制氢
发表在Advanced Energy Materials（2026,e70947）上的论文开发了质子交换膜电解水制氢（PEMEC）的集成设计策略，通过高精度激光加工对气体扩散层（GDL）/催化层（CL）和质子交换膜（PEM）/催化层（CL）界面结构进行调控，建立了贯穿膜电极组件的连续传质通道，显著提升了电解水制氢效率和耐久性。研究发现GDL上的微纳图案结构能够促进气体和水分子的传质性能，PEM表面微纳激光结构结合酸处理能够显著改善膜内部水通道的连接性，并增强了PEM-CL界面的质子传输效率（图3）。基于激光加工的GDL和PEM组装的电解池，在3 A/cm2下实现了1.90 V的低电压，相比未处理单电池电压下降了37.09%，电解效率提高了28.94%。在1000小时的耐久性测试中，电压衰减速率仅为6.15μV/h，相比未处理单电池提高了一个数量级。这项研究通过在PEMEC内部构建连续传质通道阐明了一种变革性设计策略。该研究与我校武汉光电国家研究中心合作完成。
图3基于激光重塑界面技术组装的PEM电解池
论文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.70947
发表在Nano Energy（2025, 145: 111468）上的论文研究了阴离子交换膜电解水制氢（AEM）的Ru基催化剂OER性能。该研究提出了一种氧化物路径机制（OPM），通过使用熔盐法将镨原子掺入钌氧化物纳米颗粒（Pr-RuO2）中来保护高价态的钌位点，Pr镨将Ru原子的价态提升至+4.33的高价态，优化了反应中间体的结合能，避免了结构坍塌和催化剂失效。电化学表征显示，Pr-RuO2仅需216 mV达到10 mA/cm2的电流密度，其质量活性是商业钌氧化物在1.5 V RHE时的13.4倍，在三电极系统中可稳定运行长达1000小时，衰减速率仅为23.3μV/s。这项研究开发了高稳定性、高活性的RuO2基催化剂，推动了用于大规模氢气生产的AEM技术发展。该研究与武汉理工大学合作完成。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.111468
（3）电化学储能
发表在Advanced Functional Materials（2026, 36(12): e18162）上的论文，研究了水系锌离子电池（AZIBs）钒基正极在实际容量和低电流密度循环稳定性方面面临的核心挑战。该研究通过体相前驱体与原位界面的协同共工程化策略，构建了富V3+的多孔0.3CaV2O4-0.7V2O3异质结构，并利用电解液中补充的SO42-原位诱导形成了CaSO4·2H2O界面保护层，这种“体相-界面”双重协同机制显著提升了储锌性能（图4）。该材料在0.2 A/g下实现了479.2 mAh/g的高比容量，20 A/g大电流密度下循环5000次后容量保持率达90.4%，扣式电池在153.6 W/kg功率密度下实现了362.6 Wh/kg的高能量密度，组装的软包电池也展现出优异的实用化循环稳定性。这项研究开创了一种将体相激活与界面自优化相结合的新范式，为先进能源存储领域提供了高性能和持久的阴极策略。
图4多孔异质结构的储锌机理
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202518162
发表在Journal of Materials Science & Technology（2025, 224: 205-215）上的ESI高被引论文，研究了AZIBs氮化钒（VN）正极在转化反应中，因不可逆相变、结构形变与钒溶解导致的循环稳定性和反应动力学恶化问题。该研究利用金属有机框架衍生策略，原位构筑了兼具高界面稳定性与多孔通道效应的VN基核壳异质结构。实验与理论分析结果表明，该核壳结构的多孔碳壳可显著加速界面电荷转移与离子扩散，同时有效改善VN转化过程中的结构稳定性，且H2O在VN的电化学氧化转化过程中发挥了关键的促进作用。该材料在0.2 A/g下实现了387.2 mAh/g的高可逆比容量，10 A/g下循环5000次后容量保持率高达93.3%，为AZIBs高性能钒基正极的设计提供了新思路。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.11.017
发表在Journal of Energy Chemistry（2026, 117: 800-809）上的论文，研究了水系锌离子电池MnO2正极因Jahn-Teller畸变导致的结构失稳与不可逆容量衰减问题。该研究提出分子级电子轨道工程策略，通过在δ-MnO2层间嵌入强给电子胍基阳离子（CN3H6+），实现了对层间电子环境的精准调控（图5）。研究与理论计算结果表明，CN3H6+的嵌入可显著增强Mn 3d-O 2p轨道杂化，从根本上抑制了Mn3+诱导的协同Jahn-Teller畸变，同时将Zn2+扩散能垒降低至0.56 eV，大幅促进了离子可逆传输。该改性正极在1 A/g电流密度下循环1000次后容量保持率达80.2%，组装的软包电池在1 A/g下循环100次后容量保持率仍有83.3%，为锰基正极的结构稳定化设计提供了全新方向。
图5CN3H6+基团调控抑制Mn3+Jahn-Teller效应
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jechem.2026.02.036
发表在Carbon Energy（2026，e70234）上的论文探索了可充电和柔性锌-空气电池的双功能电催化剂。该研究设计并合成了一种多孔金属@氮掺杂碳纳米纤维作为增强型双功能催化剂（∆E = 0.72 V），金属钴作为电子供体诱导了电子重新分布，通过金属钴的协同作用调节铁基催化剂的电子结构，优化了含氧中间体在铁d轨道上的吸附强度，从而解决ORR和OER动力学缓慢的问题。自组装的液态锌空气电池（ZAB）能够实现高峰值功率密度（393 mW/cm2）和较大的比容量（736 mAh/gZn）。这项研究为探索具有高效且长循环寿命的双功能电催化剂提供有价值的新思路。该研究与湖南理工大学、南京大学合作完成。
论文链接：https://doi.org/10.1002/cey2.70234
