陈 曦 通信员 张 华
燃料电池汽车作为一种新能源电动车，只需要一两分钟便可加满燃料，焦点组件就是燃料电池，此中质子传导膜的导电性在很年夜水平上影响着燃料电池的能量转化效力。近日，天津年夜学化工学院传授张生与英国曼彻斯特年夜学诺贝尔物理奖得主安德烈·海姆爵士等人合作，证实了石墨烯、氮化硼等二维材料具有质子传导性，并进一步发现，天然界中普遍存在的云母用于燃料电池的高温质子互换膜比今朝商用膜机能更优，加倍节能环保。这两项研究功效近期颁发在《天然·纳米》与《天然·通信》上。
寻觅更薄的“膜”进步续航里程
据悉，与今朝常见的家用锂离子电动汽车比拟，燃料电池汽车省往了漫长的充电时候，只需要一两分钟便可加满燃料。同时燃料电池汽车不履历热机进程，不受热力轮回限制，能量转换效力极高，续航更长，而燃料电池发电进程的产品只有水，加倍环保，是以燃料电池汽车成了将来汽车的首要成长标的目的之一。
燃料电池的工作道理是阳极燃料氢气掉往电子成为质子，尔后穿过质子互换膜达到阴极与氧气、电子连系天生水，质子在电池内部传输与外电路的电子组成电流回路，是以质子传导机能对燃料电池能量转化效力很是关头。今朝商用全氟磺酸质子传导膜厚度最少在5微米以上，需要在100℃以下处于水合状况才能阐扬感化，此时对氢气的纯度要求较高。若开辟出100℃以上可以高效传导质子的膜材料，将有助于进步燃料电池效力，下降对氢气纯度的要求，简化水办理系统，到达下降本钱、削减污染的目标，对燃料电池汽车的贸易成长具有主要意义。
“寻觅高效的高温质子传导膜材料其实不轻易。”张生先容说，“这类材料不但要求薄，并且在许可质子高速经由过程的同时，还得反对氢气的渗入。由于氢气的渗入会发生副反映，下降电池输出电压，影响燃料电池的整体反映效力。同时它还需具有耐高温的特征。”
石墨烯等二维材料是抱负材料
张生起首与合作者制备了微米级的单层石墨烯、氮化硼薄膜，厚度约为0.3纳米（1纳米即是0.001微米），将该薄膜两侧别离放置于分歧浓度的盐酸溶液中，因为浓差梯度的存在，浓度高的一侧的离子会向浓度低的一侧分散，离子的活动构成了电流。
他们按照理论计较出具有六边网格布局的石墨烯和氮化硼等二维材料因为其特别的物理布局，只许可直径小于10皮米（1皮米即是千分之一纳米）的粒子经由过程。盐酸由氢离子和氯离子构成，质子半径约为0.001皮米，氯离子半径约为180皮米，所以只有较小的质子才能经由过程该薄膜。由此证实，该尝试中经由过程二维薄膜的电流全数是由质子传导发生的，而体积稍年夜的氯离子则完全没有进献。张生暗示：“经由过程这个尝试证实，石墨烯与氮化硼二维材料只许可质子经由过程，能反对其他离子与份子，包罗氢气的经由过程，知足了燃料电池质子传导膜材料的要求。”但他也坦言，石墨烯和氮化硼固然比贸易质子传导膜更薄（相差一万倍），但因为布局过于致密，致使质子传导阻力年夜于贸易膜， 能量转化效力并没有进步，不适合做贸易化推行。
云母膜比石墨烯更具利用远景
在证实石墨烯等二维材料可以作为质子传导材料的根本上，张生和合作者们颠末两年的积极摸索发现另外一种二维材料云母比石墨烯在燃料电池范畴更具利用远景。
“云母是一种在地壳中储量极为丰硕且价钱十分低廉的矿物，其主体由像海绵一样的铝硅酸盐层构成，钾离子则像水一样在此中的孔隙中年夜量存在。”张生先容说，因为离子互换反映，钾离子可以很轻易地与质子进行互换。由于钾离子半径约为100皮米，而质子半径约为0.001皮米，体积要小很多，是以质子可以很好地在钾离子地点的孔隙中进行传输。
研究发现，离子互换处置后的云母膜，质子传导率获得极年夜进步，且利用温度可以从100℃延长到500℃，极具利用远景。张生先容说：“我们发现离子互换反映后的云母膜质子传导率进步了100倍。同时云母膜热不变性更高，且储量丰硕、价钱低廉。”研究还发此刻150℃的温度下，云母膜质子传导率跨越了今朝贸易化要求的两倍，利用于燃料电池后，汽车的行驶里程将会有很年夜进步。
今朝张生正率领研究团队制备年夜标准云母薄膜，操纵其高效的质子传导性和良好的耐热性，对现有燃料电池手艺进行改进，鞭策燃料电池汽车的成长。除燃料电池以外，张生还打算将上述质子传导膜材料用于太阳能光解水、海洋蓝色能源提取，和二氧化碳电化学转化成甲酸、乙醇、乙烯等化工原料的浩繁洁净能源手艺。
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