在科技的發(fā)展道路上，離不開能源的助力，特別是再科技飛速發(fā)展的今天，而地球上的能源有限，就需要科研人員不斷開發(fā)燃料電池。11月16日，記者從天津大學了解到，該校化工學院張生教授與英國曼徹斯特大學諾貝爾物理獎得主安德烈·海姆教授等人合作，證實了石墨烯、氮化硼等二維材料中氫離子傳輸?shù)倪x擇性為100%，并發(fā)現(xiàn)云母可以用作燃料電池的高溫質(zhì)子交換膜。這兩項研究成果有望推進氫燃料電池汽車的商業(yè)化發(fā)展。

張生介紹說：“云母薄膜的質(zhì)子傳導率提高了100倍，這是令人鼓舞的。目前石墨烯被認為是一種有前景的質(zhì)子傳導材料，我們的研究則發(fā)現(xiàn)云母可能比石墨烯更有前景，因為它的質(zhì)子傳導性更好、熱穩(wěn)定性更高，且儲量豐富價格低廉。”研究還發(fā)現(xiàn)，在150℃條件下，云母膜質(zhì)子傳導率超過了目前商業(yè)化要求的2倍，也就是說將其用于燃料電池后，汽車的行駛里程也將極大提升。

據(jù)張生介紹，與目前的鋰離子電池電動汽車相比，氫燃料電池汽車充電時間較短，只需要一兩分鐘即可加滿燃料，且能量轉(zhuǎn)換效率極高，續(xù)航更長。其核心組件燃料電池的工作原理是氫氣失去電子成為氫離子，而后穿過質(zhì)子交換膜在電池內(nèi)部傳輸形成完整的電流回路。因此，質(zhì)子傳導膜的氫離子傳導性能在很大程度上影響著燃料電池的能量轉(zhuǎn)化效率。目前，商業(yè)化質(zhì)子傳導膜厚度至少在5微米以上，若能開發(fā)更薄的膜材料，將有助于質(zhì)子傳導性的提高，對燃料電池汽車具有重要的推動意義。

該研究團隊制備了微米級的單層氮化硼薄膜，并根據(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只允許直徑小于10皮米的粒子通過。他們實驗發(fā)現(xiàn)，通過氮化硼薄膜的電流全部是由氫離子傳導產(chǎn)生的。“這不僅是我們理解質(zhì)子和薄膜相互作用的一個重要進展，同時也對石墨烯等二維材料在高效膜分離領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用開發(fā)具有重要意義。”張生表示。

進一步的研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯、氮化硼等雖具有只允許氫離子通過的性能，但其傳輸阻力較高，氫離子傳導速度較慢，不宜進行商業(yè)化推廣。為此，研究團隊開發(fā)了具有高質(zhì)子傳導率的新型質(zhì)子傳導膜材料——云母膜。研究發(fā)現(xiàn)，處理后的云母薄膜質(zhì)子傳導率得到極大提高，且使用溫度從100℃延伸到了500℃，極具應(yīng)用前景。

目前，研究團隊正在制備大尺度云母膜，利用其高效的質(zhì)子傳導性和優(yōu)良的耐熱性，用于改進現(xiàn)有燃料電池技術(shù)，推動燃料電池汽車的發(fā)展和完善。

此外，該膜材料還可用于液流電池、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、乙烯等清潔能源技術(shù)。雖然有了燃料電池，但是現(xiàn)在的技術(shù)還不足以保證人類所有的運轉(zhuǎn)，這就需要我們保護能源，從自己做起，從身邊的點滴做起，節(jié)約能源，是我們?nèi)祟惷恳粋€人應(yīng)盡的責任。