直接甲醇燃料電池被認為是最有前途的清潔高效能源電池之一。其中，質子交換膜是影響直接甲醇燃料電池能量效率、功率密度等的核心部件。近日，香港科技大學教授趙天壽課題組發現新型二維碳納米材料石墨炔是較為理想的質子交換膜材料，具備高質子傳導性和高選擇性，能有效阻隔甲醇燃料的滲透。

質子交換膜的作用是阻隔陰陽兩極，傳導質子。“質子交換膜的性能是現在面臨的一個‘卡脖子’問題。”趙天壽介紹，目前燃料電池用質子交換膜主要采用美國杜邦公司生產的Nafion膜，其最大問題是甲醇滲透率高。位于陽極的甲醇會通過質子交換膜向陰極滲透，一方面造成了甲醇燃料的浪費，降低了能源利用效率;另一方面甲醇滲透到陰極后發生負反應，會導致催化劑中毒，降低電池性能，縮短電池壽命。

石墨炔具備的孔徑結構均一、孔內尺寸可調控等特點，是研究質子選擇性傳導行為的理想二維材料。課題組研究人員全面探究了二維碳納米材料石墨炔作為質子交換膜材料的可行性，及其質子傳導率和阻醇率。他們通過原子尺度的模擬，對石墨炔界面處的質子及甲醇分子的穿透行為進行分析，得到質子傳導率和甲醇滲透率。結果發現，當石墨炔孔徑大于1.2納米時，石墨炔和水形成的是一個水相—真空相交錯的界面，其中水相可使質子快速傳導，而真空相可有效阻擋甲醇分子的穿透。這一發現為零滲透質子選擇膜的設計提供了新的可能。

“除了石墨炔外，未來我們還將繼續探究是否存在其他質子交換膜材料，同時開展工業應用可行性研究，以期解決實際生產中的問題。”趙天壽說。