在国家“双碳”战略背景下，电催化转化材料与系统研究课题组面向“碳、氢、氧”资源化转化与高效利用，开展依托电化学技术的工程基础研究。从基础到应用，研究团队分别就“负碳”（CO₂电还原）与“零碳”（水电解和燃料电池）转化技术开展反应机理探索，电催化材料设计以及规模化转化系统研究。

（1）CO₂电催化转化技术

CO₂电还原反应（CO₂RR）可在常压、近常温环境将CO₂直接转化为燃料或有用化学品，是利用可再生能源缓解诸多环境问题的关键技术。然而，CO₂RR界面过程复杂，其不仅涵盖传质、吸/脱附与电子转移等诸多基元过程，还涉及气、液两相流动。从基础研究到规模化应用，CO₂RR不仅需要高选择性、反应活性的电催化剂，更需要高效稳定的反应界面与可实现CO₂规模化转化的反应装置。本课题组主要借助原位电化学分析方法探究界面的传质与反应机理，开展面向CO、气态烃类、甲酸、乙醇等产物的电催化剂设计；面向规模化转化，开发可实现反应界面、中间体吸/脱附与传质协同优化的CO₂RR电化学反应器件，开展百吨级/年CO₂电催化转化的系统设计与中试样机研发。

                百吨级/年仿生CO₂电催化转化系统样机

（2）PEM/AEM水电解制氢技术

利用可再生能源发电制氢是当前能实现全周期零碳排放的能源发展策略的关键技术之一。固体聚合物电解质电解水制氢（氧）是燃料电池的逆反应，可实现电能向化学能（氢能）的直接转化，其具有电解效率高、安全可靠、气体纯度高等优势。面向质子交换膜(PEM )/阴离子交换膜(AEM)水电解技术，本课题组主要开展旨在提升系统运行稳定性的反应机理探索、关键材料研发与模块化系统设计。 

                         PEM/AEM水电解制氢原理与模块化电堆设计

（3）质子交换膜燃料电池系统诊断技术

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是将燃料中的化学能直接转化为电能的一种电化学反应装置。在“碳中和”政策驱动下，燃料电池正面向重卡应用，向大功率电堆研发快速迭代升级；面向高续航里程航空应用，向高质量能量密度自吸式电堆研发快速迭代升级。苛刻的应用环境会使燃料电池系统面临各种程度与模式的失效，而单一的电压巡检、电流变化无法满足人们对于燃料电池失效种类与失效程度的判断。本课题组针对PEMFC系统在线检测所面临的水淹、膜干、毒化以及低H₂计量等失效问题，开展高活性膜电极结构研发，并基于反应动力学的在线谱学分析以及实验表征与数值模拟工作，为特定PEMFC系统提出有在线诊断方案。

               燃料电池的线性及非线性频率响应