2025年大学《能源化学》专业题库- 石墨烯在燃料电池中的研究进展

2025年大学《能源化学》专业题库——石墨烯在燃料电池中的研究进展考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、简述石墨烯的几种主要物理化学性质，并指出其中哪些性质使其成为燃料电池领域具有潜力的材料。二、燃料电池电极中通常使用石墨烯基材料作为催化剂载体，请阐述其主要的优越性，并解释石墨烯如何促进电催化反应。三、概述近年来研究人员为了提高石墨烯在燃料电池中的应用性能，采用了哪些主要的改性或复合策略，并举例说明其中一种策略及其效果。四、分析石墨烯材料应用于燃料电池质子交换膜时面临的主要挑战，并探讨可能的解决方案。五、比较石墨烯直接用作燃料电池催化剂与用作催化剂载体的优缺点。六、结合当前研究热点，论述石墨烯在燃料电池领域未来可能的研究方向及其潜在的应用价值。试卷答案一、石墨烯的主要物理化学性质包括：极高的电导率（源于sp²杂化碳原子形成的离域π电子体系）；极高的导热率（源于声子散射频率低）；极大的比表面积（单层石墨烯厚度仅0.335纳米）；优异的机械强度和柔韧性（杨氏模量高，断裂强度大）；良好的水溶性（经功能化处理后）；以及独特的量子霍尔效应等。使其成为燃料电池材料的潜力主要源于其高电导率（利于电荷快速传输）、高比表面积（提供更多活性位点）和良好的导电网络形成能力。二、石墨烯作为催化剂载体在燃料电池电极中的优越性主要体现在：1）高比表面积：提供大量的活性位点附着，提高催化剂负载量，提升反应速率；2）优异的导电性：形成导电网络，确保电子在催化剂颗粒间、催化剂与集流体间的高效传输，降低电化学反应过电位；3）机械稳定性：增强电极材料的结构稳定性，延长电池寿命；4）易于功能化：可通过改性引入含氧官能团等，进一步调节表面性质，优化与催化剂、电解质的相互作用。石墨烯通过提供丰富的活性位点、构建高效的电子传输路径、增强电极结构稳定性等方式，显著促进了电催化反应。三、提高石墨烯在燃料电池中应用性能的改性或复合策略主要包括：1）化学气相沉积（CVD）法制备高质量石墨烯薄膜或纳米线阵列；2）表面功能化：通过氧化、引入含氮官能团（如胺基、吡啶环）、掺杂等手段，调节石墨烯的表面化学性质，增强其亲水性或与电解质的相互作用，改善质子传导或气体扩散；3）杂化复合：将石墨烯与碳纳米管、金属纳米颗粒、导电聚合物、陶瓷纳米颗粒等复合，形成协同效应，综合提升导电性、催化活性、结构稳定性和疏水性（如在膜电极组件中）；4）缺陷工程：通过控制制备过程引入特定类型的缺陷（如边缘缺陷），以调控石墨烯的电子结构和表面活性。例如，功能化处理可以增加石墨烯表面的含氧官能团，这些官能团可以增强与质子或水分子的相互作用，从而改善质子传导能力或在电极/电解质界面起到催化或稳定作用。四、石墨烯材料应用于燃料电池质子交换膜（PEM）时面临的主要挑战包括：1）成本高昂：高质量石墨烯的制备成本相对较高，限制了其大规模应用；2）规模化制备困难：目前难以稳定、低成本地制备大面积、高质量、均匀分布的石墨烯薄膜；3）与现有膜材料的相容性及界面问题：石墨烯膜与传统的聚合物膜（如Nafion）的物理化学性质差异较大，复合或集成时可能存在界面结合不良、应力集中等问题；4）疏水性与质子传导的平衡：虽然石墨烯本身疏水，但功能化改性可能影响其疏水性，需要在疏水（阻氧）和亲水（利质子传导）之间找到最佳平衡点；5）长期稳定性：在燃料电池苛刻的工作环境（高温、高湿度、酸性介质）下，石墨烯膜的化学稳定性和机械稳定性需要进一步验证。可能的解决方案包括：开发低成本、高效率的石墨烯制备技术（如液相外延、印刷技术）；通过表面改性调控石墨烯的亲疏水性；制备石墨烯/聚合物复合膜，利用聚合物基体改善柔韧性和加工性，同时利用石墨烯增强导电性和疏水性；探索新型石墨烯基质子传导膜材料。五、石墨烯直接用作燃料电池催化剂的缺点主要是：1）本征催化活性可能不高：作为载体，石墨烯本身对某些电催化反应的催化活性可能有限，需要负载高活性催化剂纳米颗粒；2）成本问题：直接使用高活性金属纳米颗粒等作为催化剂成本可能高于石墨烯载体本身；3）选择性问题：可能对目标反应和非目标反应都表现出一定的活性，选择性不高；4）电子传递限制：如果催化剂颗粒过大或分布不均，石墨烯基导电网络可能无法有效传递电子至所有活性位点。优点主要是：1）提供高表面积：极大增加催化剂的负载量，提高单位质量催化剂的利用率；2）构建高效导电网络：确保电子在催化剂颗粒间以及催化剂与集流体间的快速传输，降低电荷转移电阻，提高电池性能；3）增强机械稳定性：石墨烯的加入有助于增强电极的机械强度和结构稳定性，提高电池的耐用性。石墨烯作为催化剂载体的优点在于其优异的导电性和高比表面积，能有效提高催化剂的活性和电池性能，并增强电极结构稳定性，且成本相对可控。缺点在于可能需要与高活性组分复用，且大规模应用仍面临成本和制备挑战。六、结合当前研究热点，石墨烯在燃料电池领域未来可能的研究方向及其潜在应用价值包括：1）高性能柔性/可穿戴燃料电池：利用石墨烯优异的导电性、柔性及透明性，开发可集成于衣物或植入式设备的柔性、可穿戴燃料电池，为便携式电子设备提供长续航能源，应用价值在于推动可穿戴电子技术的发展；2）高功率密度和耐久性燃料电池：通过先进的石墨烯杂化材料、缺陷工程和界面调控，设计具有更高本征功率密度、更好耐化学腐蚀和机械磨损性能的电极和膜材料，提升燃料电池整体性能和寿命，应用价值在于加速燃料电池在交通运输（如电动汽车、航空航天）等领域的商业化进程；3）高效催化剂的发现与设计：利用石墨烯的表面调控能力（如精准的原子级修饰、异质结构建），作为平台发现或固定新型高效、低成本的非贵金属电催化剂，甚至实现光/电协同催化的燃料电池，应用价值在于降低燃料电池成本，提高能量转换效率；4）智能传感与燃料电池一体化：探索利用石墨烯的优异传感特