马来西亚国立大学《Korean J Chem Eng 》：综述！3D石墨烯耦合气凝胶在燃料电池可持续应用的最新进展

成果简介

石墨烯气凝胶（GA）是一种超轻材料，具有高孔隙率、优异的机械强度和出色的导电性，因此在能源存储、电子和环境修复等广泛应用中极具吸引力。在过去的二十年里，GA 的合成和功能化技术的进步为燃料电池技术带来了重大创新，尤其是在提高催化活性、质量传输和结构稳定性方面。石墨烯基气凝胶的三维（3D）网络形态提供了大表面积、相互连接的多孔结构和可调特性，这些对于优化燃料电池性能至关重要。

本文，马来西亚国立大学Siti Hasanah Osman等研究人员在《Korean J Chem Eng 》期刊发表名为“3D Graphene-Coupled Aerogel Nanoarchitectures: Emerging Paradigm Toward Sustainable Applications in Fuel Cell”的综述，研究全面分析了石墨烯在燃料电池系统中的应用，重点关注其在阳极、阴极、催化剂载体和膜等关键部件中的作用。通过利用其独特的性能，GA 在提高燃料电池效率、降低成本和增强可持续性方面展现出了巨大的潜力。

例如，基于 GA 的催化剂已显示出与传统铂基催化剂（Pt/C）相当或更优越的性能，同时大大减少了对昂贵和稀缺贵金属的依赖。除了技术优势之外，在燃料电池技术中采用 GA 还符合全球可持续发展的努力，特别是联合国可持续发展目标（SDGs）7（负担得起的清洁能源）和13（气候行动）。通过实现更清洁的能源转换和减少温室气体排放，GA 有助于向低碳经济过渡和减轻气候变化的影响。

本研究还强调了在扩大 GA 生产规模、确保长期耐用性和实现商业应用的成本效益方面所面临的挑战。此外，本研究还探讨了通过先进的合成技术、新颖的功能化策略以及与其他纳米材料的整合来优化基于 GA 的燃料电池的未来机遇。通过应对这些挑战并利用其独特的性能，GA 有可能彻底改变燃料电池技术，并为下一代可持续能源解决方案铺平道路。

图文导读

图1、(a） 2013-2025 年燃料电池用 3D 石墨烯气凝胶相关文献的发布趋势;（b） 按国家/地区划分的文件

图2、从 GO 前驱体制备石墨烯基气凝胶的程序。这里详细介绍的从氧化石墨烯 （GO） 前驱体制造石墨烯基气凝胶的程序利用了先进的 3D 石墨烯材料的优势，这些材料具有生产简单、高性能和成本效益高。

石墨烯气凝胶在燃料电池中的应用

燃料电池是一种通过电化学反应将直接燃料转化为电能的权宜之计。阳极、阴极、电解液和外部电路是 FC 系统的四大组成部分。在阳极，氢被氧化成质子和电子;相反，在阴极，氧被转化为氧化物，在那里发生产生水的反应。尽管FC使用某种类型的热力学过程，但它们与热引擎的不同之处在于它们不受卡诺效率的限制。在现代能源计划中，这些特征值得关注。围绕本次综述讨论，触发了石墨烯气凝胶燃料电池以降低燃料电池应用的总成本，并将铂和钌等贵金属分配给催化剂室、阳极和阴极。

机遇与挑战

石墨烯气凝胶因其表面积和体积特性而被广泛应用于各种领域。为了推动石墨烯气凝胶在燃料电池中的应用，石墨烯气凝胶作为支撑材料的研究进展将大大减少或消除对贵金属的依赖，同时显著降低燃料电池的成本。石墨烯气凝胶作为催化剂的巨大潜力是由其固有成分决定的，它克服了 Pt/C 等工业催化剂目前存在的一些局限性，为其提供了一种前景广阔的替代品。这一优势为继续开发和利用石墨烯气凝胶带来了巨大机遇。然而，要使石墨烯气凝胶得到广泛和方便的使用，还需要集中力量解决一些关键问题：

i.开发过程： 在我们前面介绍的应用中，使用典型的 GA 改良方法比较合适。然而，要使三维天基材料在商业应用中发挥作用，必须解决环境问题，而且资金必须来自运营措施。此外，冷冻干燥不能在常温下进行，而且需要高压，在工业上应用于制造石墨烯气凝胶的可行性较低。

ii.大多数石墨烯气凝胶电催化剂的性能仅在半电池测试中进行过检验，无法准确反映其在实际操作条件下的活性和耐久性。另一种可能的解决方案是使用标准的 MEA 系统来测量性能。此外，应在真实世界的燃料电池环境中研究导电性和渗透性，而不是简单的模拟环境。

iii.开发石墨烯气凝胶燃料电池的最大障碍是稳定性。尽管许多石墨烯气凝胶电催化剂在耐久性、甲醇交叉耐受性和二氧化碳中毒方面优于商用 Pt/C，但已确定的石墨烯气凝胶燃料电池节能寿命（从几小时到几周不等）远远低于为特定实施设计的一年级寿命。为了消除二氧化碳的影响，大多数实用的 PEMFC 使用酸性电解质，这会导致石墨烯气凝胶支撑的金属催化剂失稳，从而随着时间的推移而降解。不含金属、掺杂石墨烯的气凝胶催化剂是很有吸引力的选择，尽管迄今为止只有少数例子成功实现了酸性环境中的 ORR。石墨烯气凝胶具有机械稳定性且无缺陷。尽管如此，要想在燃料电池应用中获得适当的活性，就必须始终向石墨烯气凝胶基底平面提供缺陷和官能团，从而降低其机械和化学稳定性。要想获得最佳效果，就必须对石墨烯气凝胶的活性位点和石墨化程度进行精确管理。

事实证明，依赖二维石墨烯的纳米材料在电化学应用中是可靠的，但这也是一个巨大的挑战，仍需有效利用石墨烯的大面积宽表面以及优异的电气、化学和机械性能。例如，为了获得较高的电化学反应速率，电极需要有较大的表面积，并在电极表面区域附近快速转移电解质。以前，纳米单层石墨烯被纳入多孔互连的三维宏观网络。三维石墨烯的宏观结构可以通过三维打印方法轻松探索，用于设计和制造储能和催化工程气凝胶结构。该领域在短短几年内取得了长足的进步，但三维石墨烯气凝胶的研究工作仍处于起步阶段，应从几个方面讨论这些材料在绿色应用方面面临的挑战。当今石墨烯市场的主要挑战之一是如何以低成本和可重复性生成大规模、高质量的材料。如图3所示，石墨烯气凝胶仍然面临着一些障碍，这些障碍可能会限制其在不同领域的潜力，从而阻碍其市场推广。

图3、Graphene aerogel challenges

此外，剩下的一个重要问题是生产、可再生、经济和可控的制备方法。目前的组装工艺通常需要严格的设置（如高温或高压），或包含繁琐的程序，从而增加了制备的工作量。提出这一分析的目的是为了激发未来更多的研究，以实现这一目标并促进可持续发展。由于气凝胶在全球先进材料中排名第二，因此需要考虑这一点。根据本综述，有关这种先进材料的研究工作正在缓慢增加。此外，工业用石墨烯气凝胶的成本将会降低，而且这种材料无毒无害，不会增加大气污染物。通过使用溶剂交换技术，石墨烯气凝胶的工业化生产正从实验室规模向前推进。必须建立健全的规范体系，全面测量孔径分布、热导率和机械性能，以区分不同来源的产品，从而确保质量和一致性。

尽管石墨烯气凝胶的应用日益广泛，但对相关纳米颗粒的毒性却缺乏全面的了解。回收利用石墨烯纳米颗粒是减轻潜在环境污染的可行选择。因此，我们建议在今后的调查和研究中优先考虑加入石墨烯气凝胶。尽管石墨烯纳米粒子已被广泛采用，但要全面评估和量化与之相关的环境风险，还需要进行更多的调查。必须承认，尽管石墨烯气凝胶被广泛接受，但它可能会继续对人类健康和水生生态系统产生负面影响。因此，未来的环境评估必须优先考虑石墨烯气凝胶对人类健康和水生生物的潜在不利影响。

小结

石墨烯气凝胶（GA）因其高孔隙率、轻质成分以及卓越的机械和电气性能，已迅速发展成为一种创新材料。多年来，这种材料的合成工艺有了很大改进，通过使用三维打印、水热处理和化学还原等方法，其结构完整性和应用潜力也得到了提高。GA 在能源应用中的功效直接受到最终孔径分布的影响，而孔径分布又受到制造过程中冷冻温度的显著影响。在燃料电池技术中，尤其是在开发催化剂、膜和催化支持物等关键部件方面，GA 已显示出非凡的潜力。这种燃料电池独特的三维结构可改善质量传输、长期耐久性和催化功效。尽管石墨烯气凝胶具有这些优点，但我们对其组装机理的了解仍然不够。只有少数研究明确探讨了石墨烯气凝胶在燃料电池中的作用，而大多数研究都集中在一般的石墨烯基材料上。由于石墨烯气凝胶必须完全发挥其在商业燃料电池应用中的潜力，因此需要开展更多的研究，以确定具有成本效益的方法，在不影响其性能的前提下制造石墨烯气凝胶，以替代传统材料。它符合全球可持续发展目标，因为GA是一种更高效、更健康的能源转换手段。未来的研究应优先考虑优化GA的生产、提高其可扩展性并研究其多功能性，以加快其在工业燃料电池应用中的使用。

文献：https://doi.org/10.1007/s11814-025-00470-9