燃料电池 ( fuel cells) 是一种不需要经过卡诺循环的电化学发电装置，能量转化率高。由于在能量转换过程中，几乎不产生污染环境的含氮和硫的氧化物，燃料电池还被认为是一种环境友好的能量转换装置。由于具有能量转化效率高、发电效率高、比能高、污染小、噪声小等多种优异性，燃料电池技术被认为是 21 世纪新型环保高效的发电技术之一。随着研究不断地突破，燃料电池已经在发电站、微型电源等方面开始应用。

对燃料电池的阳极和阴极而言，多级孔结构设计能够促进燃料分子和反应产物的扩散，从而提高电流密度和转化效率。Liu 等提出了一种用生物质作为碳前驱体制备超薄多孔氮掺杂石墨烯( 约 1.4 nm)。通常情况下，多孔碳纳米片都是通过模板法制备出来的，但是模板制备法后续处理耗时又耗材。比如 SiO2模板法制备多孔碳纳米材料需要强酸 (氢氟酸)或强碱(如KOH)刻蚀 SiO2模板，这不但会增加制备成本，而且容易污染环境。采用具有海绵组织结构的水葫萍作为碳前驱体，利用生物质本身含有的金属盐在高温下的刻蚀和氨气的活化作用，制备出一种超薄多孔氮掺杂碳纳米片。这种多孔氮掺杂碳纳米片在碱性、中性和酸性条件下均表现出非常突出的氧化还原性能，其稳定性和抗甲醇交叉效应均优于 Pt/C 催化剂，并在自制的锌 -空气电池、微生物燃料电池以及直接甲醇燃料电池中表现出非常好的阴极性氧还原性能。在相同条件下，具有与商用 Pt/C[ 20% Pt(质量分数)]相当、甚至更好的催化性能。Wang 等开发了一种简单、高效、绿色、大面积、液相制备三维石墨烯泡沫电极的方法，同时利用多元协同，成功制备出了一种负载超细钼纳米粒子的三维多孔石墨烯泡沫电极。该电极在乙醇燃料电池的应用中，表现出比商用 Pd/C 电极更好的催化活性和优异的稳定性。

Cheng 等利用原子层沉积技术，结合模板法，在柔性炭布基底上成功制备了三维多孔 Pt 纳米管阵列应用于甲醇氧化，原子层沉积技术的优势在于可以在原子尺度上精确控制 Pt 的尺寸和厚度，这种结构主要有以下几方面的优势:①三维中空纳米管结构具有大的比表面积，可以提供更多的活性位点；②纳米管结构有利于电子的传输和电解液的渗入;③Pt纳米管和柔性炭布的紧密接触，能够避免传统粉末催化剂团聚和脱落的问题，有利于增强催化剂的稳定性。通过甲醇氧化性能测试和抗 CO 毒性测试发现，原子层沉积制备的较薄管壁 Pt纳米管阵列呈现出优异的电催化活性(815 mA/mg)和较好的抗CO毒性性能，其活性是商用 Pt/C[20% Pt(质量分数)]催化剂(275 mA/mg)的近3倍。Ye 等通过无模板生长法构筑了低成本的三维氢氧化镍/泡沫镍[Ni(OH)2/Ni-foam] 电极，并作为高效的阳极材料用于直接尿素-过氧化氢燃料电池。电极上Ni(OH)2催化剂的表面形貌可以通过改变反应温度来灵活控制，其中纳米片状 Ni(OH)2/Ni-foam 电极具有最高的尿素电氧化催化活性。

聚合物电解质燃料电池具有启动快速、轻质、高效的特点，因而在便携器件和电动汽车方面备受关注。然而，目前聚合物电解质燃料电池的发展仍旧存在许多限制因素，例如催化剂价格、耐用性、流场结构问题等。其中，差的流场结构会使得通道被液态水堵塞和反应物分布不均，这些传质问题会导致水在气体扩散电极孔道中过度累积和反应物缺乏，从而使得气体扩散电极中的多孔碳骨架材料被腐蚀，催化剂结块与聚合物膜分解，这些都将使得电池性能及寿命衰减。因此，在聚合物电解质燃料电池中设计一种新型流场结构十分必要。Trogadas 等从肺部的分形结构中获得启发，在聚合物电解质燃料电池中设计分形流场，克服了聚合物电解质燃料电池中反应物分布不均匀的问题。

实验结果证实了 3D 打印仿生肺部分形流场结构的聚合物电解质燃料电池的性能得到有效提升，相比于传统蛇形流场结构，电池性能提高了约 20%，最高功率密度提高了约 30%。当延长电流维持时间进行测试时，反应物均匀分布的特性使得基于分形流场的聚合物电解质燃料电池电压保持稳定，其衰减幅度降低至 5 mV/h。除此之外，当扩大流场规模时，聚合物电解质燃料电池仍旧能够保持优异的电化学性能。此仿生肺部分形结构的技术在其它电化学体系也具有广阔的应用前景，例如:氧化还原流体电池，不同电解质与不同类型的燃料电池等。

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