質(zhì)子穿過石墨烯膜示意圖圖片由受訪者供應(yīng)

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燃料動力電池汽車作為一種新能源電動汽車，只要一兩分鐘即可加滿燃料，核心組件就是燃料動力電池，其中質(zhì)子傳導膜的導電性在很大程度上影響著燃料動力電池的能量轉(zhuǎn)化效率。近日，天津大學化工學院教授張生與英國曼徹斯特大學諾貝爾物理獎得主安德烈·海姆爵士等人合作，證實了石墨烯、氮化硼等二維材料具有質(zhì)子傳導性，并進一步發(fā)現(xiàn)，自然界中廣泛存在的云母用于燃料動力電池的高溫質(zhì)子交換膜比目前商用膜性能更優(yōu)，更加節(jié)能環(huán)保。這兩項研究成果近期發(fā)表在《自然·納米》與《自然·通訊》上。

尋找更薄的膜提高續(xù)航里程

據(jù)悉，與目前常見的家用鋰離子電動汽車相比，燃料動力電池汽車省去了漫長的充電時間，只要一兩分鐘即可加滿燃料。同時燃料動力電池汽車不經(jīng)歷熱機過程，不受熱力循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)換效率極高，續(xù)航更長，而燃料動力電池發(fā)電過程的產(chǎn)物惟有水，更加環(huán)保，因此燃料動力電池汽車成為了將來汽車的重要發(fā)展方向之一。

燃料動力電池的工作原理是陽極燃料氫氣失去電子成為質(zhì)子，而后穿過質(zhì)子交換膜到達陰極與氧氣、電子結(jié)合生成水，質(zhì)子在電池內(nèi)部傳輸與外電路的電子構(gòu)成電流回路，因此質(zhì)子傳導性能關(guān)于燃料動力電池能量轉(zhuǎn)化效率非常關(guān)鍵。目前商用全氟磺酸質(zhì)子傳導膜厚度至少在5微米以上，要在100℃以下處于水合狀態(tài)才能發(fā)揮用途，此時對氫氣的純度要求較高。若開發(fā)出100℃以上可以高效傳導質(zhì)子的膜材料，將有助于提高燃料動力電池效率，降低對氫氣純度的要求，簡化水管理系統(tǒng)，達到降低成本、減少污染的目的，對燃料動力電池汽車的商業(yè)發(fā)展具有緊要意義。

尋找高效的高溫質(zhì)子傳導膜材料并不容易。張生解析說，這種材料不僅要求薄，而且在準許質(zhì)子高速通過的同時，還得阻擋氫氣的滲透。因為氫氣的滲透會萌生副反應(yīng)，降低電池輸出電壓，影響燃料動力電池的整體反應(yīng)效率。同時它還需具備耐高溫的特性。

石墨烯等二維材料是理想材料

張生首先與合作者制備了微米級的單層石墨烯、氮化硼薄膜，厚度約為0.3納米(1納米等于0.001微米)，將該薄膜兩側(cè)分別放置于不同濃度的鹽酸溶液中，由于濃差梯度的存在，濃度高的一側(cè)的離子會向濃度低的一側(cè)擴散，離子的運動形成了電流。

他們依據(jù)理論計算出具有六邊網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的石墨烯和氮化硼等二維材料由于其特殊的物理結(jié)構(gòu)，只準許直徑小于10皮米(1皮米等于千分之一納米)的粒子通過。鹽酸由氫離子和氯離子組成，質(zhì)子半徑約為0.001皮米，氯離子半徑約為180皮米，所以惟有較小的質(zhì)子才能通過該薄膜。由此證明，該試驗中通過二維薄膜的電流全部是由質(zhì)子傳導萌生的，而體積稍大的氯離子則完全沒有貢獻。張生表示：通過這個試驗證明，石墨烯與氮化硼二維材料只準許質(zhì)子通過，能阻擋其他離子與分子，包括氫氣的通過，滿足了燃料動力電池質(zhì)子傳導膜材料的要求。但他也坦言，石墨烯和氮化硼雖然比商業(yè)質(zhì)子傳導膜更薄(相差一萬倍)，但由于結(jié)構(gòu)過于致密，導致質(zhì)子傳導阻力大于商業(yè)膜，能量轉(zhuǎn)化效率并沒有提高，不合適做商業(yè)化推廣。

云母膜比石墨烯更具使用前景

在證實石墨烯等二維材料可以作為質(zhì)子傳導材料的基礎(chǔ)上，張生和合作者們經(jīng)過兩年的積極探索發(fā)現(xiàn)另一種二維材料云母比石墨烯在燃料動力電池范疇更具使用前景。

云母是一種在地殼中儲量極其豐富且價格十分低廉的礦物，其主體由像海綿相同的鋁硅酸鹽層組成，鉀離子則像水相同在其中的孔隙中大量存在。張生解析說，由于離子交換反應(yīng)，鉀離子可以很容易地與質(zhì)子進行交換。因為鉀離子半徑約為100皮米，而質(zhì)子半徑約為0.001皮米，體積要小得多，因此質(zhì)子可以很好地在鉀離子所在的孔隙中進行傳輸。

研究發(fā)現(xiàn)，離子交換解決后的云母膜，質(zhì)子傳導率得到極大提高，且使用溫度可以從100℃延伸到500℃，極具使用前景。張生解析說：我們發(fā)現(xiàn)離子交換反應(yīng)后的云母膜質(zhì)子傳導率提高了100倍。同時云母膜熱穩(wěn)定性更高，且儲量豐富、價格低廉。研究還發(fā)今朝150℃的溫度下，云母膜質(zhì)子傳導率超過了目前商業(yè)化要求的兩倍，使用于燃料動力電池后，汽車的行駛里程將會有很大提高。

目前張生正率領(lǐng)研究團隊制備大尺度云母薄膜，利用其高效的質(zhì)子傳導性和優(yōu)良的耐熱性，對現(xiàn)有燃料動力電池技術(shù)進行改良，推動燃料動力電池汽車的發(fā)展。除了燃料動力電池之外，張生還計劃將上述質(zhì)子傳導膜材料用于太陽能光解水、海洋藍色能源提取，以及二氧化碳電化學轉(zhuǎn)化成甲酸、乙醇、乙烯等化工原料的眾多清潔能源技術(shù)。