质子交换膜燃料电池（PEMFCs）是一种前景广阔的高效清洁能源转换技术。其中，提升阴极氧还原反应（ORR）效率对整体性能至关重要。

除催化剂本征活性外，催化剂层（CLs）内氧-水-催化剂三相边界（TPB）的质量传输显著影响ORR动力学。CLs中离聚物兼具粘结与质子传导功能，促进催化剂分散并降低CL与PEM间界面阻力，直接决定Pt利用率与活性。

2025年9月4日，北京理工大学冯霄在国际知名期刊Chemical Society Reviews上发表题为《Three-phase microenvironment modification by optimizing ionomer towards high-performance proton exchange membrane fuel cells》的综述论文，Jie Li、Qianli Ma为论文第一作者，冯霄为论文通讯作者。

目前，线性高分子离聚物因其高质子传导率而被广泛采用，但是其致密链段往往阻碍氧气到达催化位点，且缺乏有效的水管理能力。

为突破上述局限，最新研究聚焦于通过离聚物结构定制来优化三相微环境。本文首先阐述离聚物内质子、水与气体的传输机制；随后介绍用于评估催化剂活性、微环境及CLs内传质的表征技术；接着重点梳理通过离聚物结构调控、添加剂引入及CL理性设计来优化Pt/离聚物界面的新兴策略，特别聚焦开放骨架离聚物在强化传质与实现Pt最大化利用方面的显著优势。

最后，作者展望离聚物开发的机遇与挑战，强调机理认知与性能提升并重。期待离聚物研究的持续进展为下一代材料铺平道路，最终提升氢燃料电池的实用性与商业化竞争力。

图1：质子交换膜燃料电池（PEMFCs）结构示意图，插图展示典型的三相边界（TPB）界面。

图2：质子交换膜燃料电池（PEMFCs）离聚物的发展历程。

图3：全氟磺酸（PFSA）纳米结构示意图。（A）PFSA的化学结构；（B）PFSA的质子传输机制示意；（C）从干态到溶液/分散态的相分离演化模型。

图4：离聚物薄膜的形貌与纳米结构。（A）Pt/C表面离聚物层的3D渲染图及局部厚度放大图（标尺20 nm）；（B）不同采样与计算方法获得的离聚物层厚度分布；（C）亲水性界面处Nafion薄膜示意图，呈现片状层理及体相外层；（D）100%相对湿度下不同厚度Nafion薄膜的GISAXS图样，50 nm与160 nm薄膜出现典型离聚物峰；（E）形貌演化示意图；（F）“流道-储库”模型3D示意。

图5：常用电化学测试方法。（A）电流-电压（I–V）极化曲线；（B）典型电化学阻抗谱；（C）PEMFC常见DRT（分布弛豫时间）图；（D）循环伏安曲线；（E）CO溶出曲线；（F）0.4 V下典型CO置换曲线；（G）H₂-N₂条件下的常用电化学阻抗；（H）由H₂-O₂与H₂-空气极化曲线获得的OGV图；（I）燃料电池中的反应极化电阻（RP）与传质极化电阻（RNP）。

综上，本综述围绕质子交换膜燃料电池（PEMFC）催化剂层中氧-水-催化剂三相界面处的传质瓶颈问题，系统探讨了通过优化离子聚合物（ionomer）结构来调控三相微环境，从而提升电池性能的策略。