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随着柔性电子器件的快速发展,柔性电源也引起了越来越多的关注。目前的柔性电源主要是柔性锂离子电池,超级电容器和柔性太阳能电池等。但这些柔性设备因能量密度不够高,无法满足柔性器件不断增长的能源需求。需要开发高能量密度,长期稳定和轻量化的柔性能源设备。柔性质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有同时提高功率和能量密度的潜力,可作为柔性电子的便携式电源。对柔性燃料电池而言,如柔性电堆的制作和封装的问题严重影响了电堆的性能、与柔性电堆匹配的现场氢源目前主要是刚性容器、甲酸催化制氢的反应机理尚不明确。针对柔性质子交换膜燃料电池的这些问题,本文研究了柔性平面型PEMFC电堆及其相匹配的柔性氢源,开发了全柔性燃料电池电源系统,并采用单分子检测手段对储氢反应涉及的催化机理进行了探究。本论文主要研究内容如下:1.基于本组开发的新型柔性PEMFC技术,我们对燃料电池膜电极材料及尺寸进行筛选获得了具有较高功率密度,合适尺寸的质子交换膜燃料电池。采用3D打印技术设计并打印了 6种不同类型的流场,通过将流场板与5个串联的燃料电池膜电极组合形成平面型柔性电堆。我们探究了不同流场及同一流场下不同氢气流速对柔性电堆性能的影响,同时对单个电池放电性能及放电过程中温度变化进行监测。实验结果发现流场对柔性电堆放电性能具有很大影响,Type-6流场效果最好,在90 mL·min-1氢气流速下可以达到3.68 W的功率和32%的能量转换效率。最后采用Type-6流场将电池组放大到八个单电池,峰值功率可达4.53 W。该高输出功率,平面型柔性电堆的开发对其在便携式电子产品的应用具有重要的意义。2.我们将均相催化剂Cp*IrCl2(dabpy)化学负载于气凝胶上制备了独特的双功能气凝胶催化剂,该催化剂具有将液态甲酸储存到气凝胶中形成半固态,并将储存的甲酸催化产氢的双重能力。通过调控Cp*IrCl2(dabpy)的载量,乙二胺的添加量,甲酸钠和甲酸比例,温度和催化剂循环寿命等条件对双功能气凝胶催化剂进行了活性探究,证明了该催化剂在室温下具有较高的催化活性。我们使用该催化剂开发了一种在不同弯曲操作下可稳定产氢的柔性氢气发生器。最后将该柔性氢气发生器和柔性PEMFC平面电堆组合,制造了一种全柔性燃料电池电源。该全柔性电源系统以4.28 V开路电压和2.053 W的最大功率运行了100个LED灯,理论能量密度为722 Wh·kg-1,实际能量密度为135.91 Wh·kg-1。该系统极有希望满足柔性电子产品的高能量需求。3.采用暗场显微镜技术检测了单个Pd-Ag纳米片催化甲酸脱氢产生气体的过程。统计了数百个Pd-Ag纳米片上纳米气泡的产生,发现该系统中的某些纳米气泡具有三个不同的状态。我们通过建立直接跃迁模型,中间状态模型1(IM-1)和中间状态模型2(IM-2)三种动力学模型对纳米气泡进行分析并采用来拟合纳米气泡系统中转换的等待时间直方图。IM-2中间状态模型的拟合结果更符合实验的假设,即从无到大气泡和大气泡到无气泡的跃迁路径可能包含多个中间状态,并且在不同的中间状态之间可能存在其他转换。同时还研究了甲酸浓度对纳米气泡状态转换的影响,并将相对能级分配给了不同的状态,以讨论观察到的过渡途径的可能性质和机理。这些结果成功地表明了单个纳米气泡的演化和稳定性背后的复杂机制。4.通过合成一系列不同配体和金属核心的配位催化剂,筛选出了具有较好耐受性和高活性的催化剂Cp*IrCl2(dabpy),并采用酰胺缩合法将Cy3和Cy5染料分子通过DNA嫁接到催化剂配体上。最后调节通入微流体反应池中含荧光分子的配体浓度和时间,在浓度为20 pM-50 pM时配体分子单分散地固定在基底表面,获得了单分子荧光能量共振转移(FRET)实验基础数据,为采用单分子FRET技术探究均相催化剂催化甲酸分解催化过程和机理奠定基础。另一方面,依据λDNA及Au-S键的特点构建了磁球-λDNA-金磁镊体系,并且发现金对λDNA具有一定的非特异性吸附。进一步研究发现疏水基底可以避免金基底对DNA的吸附。基于此,我们成功将λDNA通过Au-S键连接在金基底上,并使用Sybr-Ⅱ染料使DNA在显微镜下可视化,发现λDNA在水流作用下可以随水流变化而变化。该研究开拓了探究外力对催化反应影响的方式。