质子交换膜燃料电池（PEMFCs）因其高效能源转换和环境友好特性，被视为可持续能源技术的重要发展趋势。然而，其商业化进程仍受限于催化活性不足、质量传输效率低及长时间运行稳定性差等挑战。近年来，介孔碳材料凭借高比表面积、可调控孔结构和优异导电性，成为提升PEMFCs性能的关键材料。本文系统综述了介孔碳的合成策略及其在PEMFCs催化层与气体扩散层中的应用机制，并展望了未来的研究方向。

  全球能源需求持续增长，但80%的能源仍依赖化石燃料，导致环境污染与资源枯竭问题日渐严峻。PEMFCs通过电化学反应将化学能直接转化为电能，具有功率密度高、启动迅速和零排放等优势，被视为清洁能源技术的重要突破口。然而，其核心组件膜电极（MEA）的催化层与气体扩散层存在催化活性位点利用率低、氧传输阻力大及催化剂失活等问题，尤其在高电流密度下性能衰减显著，严重制约了其大规模应用。

  传统碳载体的孔结构无序且比表面积有限，导致催化剂颗粒分布不均，离子膜覆盖活性位点，加剧了传质限制与催化剂中毒效应。介孔碳材料通过精确设计的孔道结构，可优化催化剂分散、促进反应物传输并增强载体稳定性。此外，其表面化学性质可通过掺杂改性进一步调控，从而平衡质子传导与气体扩散效率。因此，介孔碳材料的开发对突破PEMFCs技术瓶颈、降低铂载量及提升耐久性具备极其重大科学价值与工程意义。

  介孔碳的合成方法最重要的包含硬模板法、软模板法与无模板法。硬模板法以介孔二氧化硅为模板，通过碳前驱体填充与模板刻蚀获得有序孔结构，但其工艺复杂且易损伤碳骨架。软模板法则利用两亲性嵌段共聚物的自组装行为，通过调节模板与前驱体相互作用形成介孔，但高温碳化易导致孔结构收缩。无模板法通过热解特定前驱体原位生成介孔，虽简化了工艺流程，但孔均一性控制难度较高。近年来，硬模板法通过引入可溶性或可回收模板减少相关成本，而软模板法结合生物质表面活性剂提升了可持续性。

  在PEMFCs应用中，介孔碳作为催化剂载体可显著优化离子膜分布并降低氧传输阻力。以丰田第二代Mirai燃料电池为例，其采用的树状介孔碳载体通过设计“邻近但不接触”的孔道结构，减少了离子膜对铂催化剂的毒化效应，同时提升了质量活性。通用汽车开发的HSC系列介孔碳通过缩短孔道长度，降低了局部氧传输阻力（Rlocal），使高电流密度下的电压损失减少了45%。此外，氮掺杂介孔碳通过静电作用诱导离子膜均匀分布，逐步提升了催化层效率。研究还表明，介孔碳的限域效应可抑制铂颗粒的奥斯特瓦尔德熟化，经3万次循环测试后，亚尺寸Pt3Co-MC催化剂的活性保持率达81.5%，显著优于传统Pt/C（33%）。

  在气体扩散层（GDL）中，介孔碳通过构建梯度孔结构平衡了水管理性能与气体渗透效率。例如，经硝酸处理的介孔碳引入亲水基团后，小介孔（3.8 nm）排水能力增强，大介孔（6.4 nm）保障气体传输，峰值功率密度较商用XC-72R提升12.8%。通过调控造孔剂含量优化GDL孔隙率，在50 wt%添加量下实现了2.08 A/cm2的峰值电流密度。然而，高孔隙率材料的机械强度与导电性平衡仍是未来研究的重点。

  介孔碳材料通过结构设计与化学改性，明显提升了PEMFCs的催化效率、传质性能与耐久性。硬模板法与软模板法的创新结合、生物质碳源的低成本开发及机器学习辅助的孔结构优化，为其工业化应用提供了新思路。未来研究需聚焦于孔尺寸与形貌的精准调控、多元素协同掺杂及梯度孔复合材料的开发。通过跨学科技术整合与规模化制备工艺优化，介孔碳材料有望推动PEMFCs在交通与储能领域的广泛应用，助力清洁能源转型。

  李箐，华中科技大学材料科学与工程学院教授，新能源材料与器件中心主任。主要是做氢能与碳中和、电催化、燃料电池等领域的研究。近五年以通讯作者在Nat. Mater., Nat. Catal., J. Am. Chem. Soc., Nat. Commun.等期刊发表学术论文50余篇，共被引用20000余次。主持国家自然科学基金优秀青年科学基金（结题优秀），国家自然科学基金区域联合基金重点项目等。担任Chinese Chemical Letters期刊副主编、《电化学》，《催化学报》等期刊编委，化学工业出版社《先进电化学能源存储与转化丛书》和其分册《氢燃料电池：关键材料和技术》主编，中国化学会青委会委员。

  李玉楠，华中科技大学材料科学与工程学院博士后（合作导师：李箐教授）。研究兴趣为电解水制氢、氢燃料电池等相关电催化反应以及原位XAFS表征技术。2024年在中国科学院上海应用物理研究所（上海光源）取得博士学位，目前以第一作者/通讯作者身份在Nat. Commun.，Appl. Surf. Sci.等期刊发表学术论文6篇，主持湖北省自然科学基金青年B类项目1项。

  Frontiers in Energy是中国工程院院刊能源分刊，高教社Frontiers系列期刊之一。由中国工程院、上海交通大学和高等教育出版社共同主办。翁史烈院士和倪维斗院士为名誉主编，中国工程院院士黄震、周守为、苏义脑、彭苏萍担任主编。加拿大皇家科学院、加拿大工程院、中国工程院外籍院士张久俊，美国康涅狄格大学校长、教授Radenka Maric，上海交通大学教授Nicolas Alonso-Vante和巨永林担任副主编。

  Frontiers in Energy免收版面费，且对于录用的文章无偿提供语言润色以保障出版质量。进入外审的稿件（不包括评论、新闻热点等短文），第一轮审稿周期约30天，从审稿到录用平均60天。

  由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》（Frontiers）系列英文学术期刊，于2006年正式创刊，以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、生命科学、工程技术和人文社会科学四个主题，是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群，其中12种被SCI收录，其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录，具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式，保证文章以最快速度发表。

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