中外发现石墨烯类膜新特性 燃料电池有望更高效

人民网 赵永新、刘爱华

石墨烯类膜材料质子输运概念图 (王国燕、周荣庭设计)

一项由中外科学家联合完成的新成果登上27日“自然”网站的首页头条:石墨烯、氮化硼等二维纳米材料具有只容质子穿透的特性,因而有望取代制作燃料电池的核心部件“质子传导膜”的现有材料,催生燃料电池的革命性进步。

该成果有中国科学技术大学吴恒安教授、王奉超特任副研究员与诺贝尔物理奖得主、英国曼彻斯特大学安德烈?海姆教授课题组及荷兰内梅亨大学研究人员合作完成,相关论文于11月26日在国际顶尖学术期刊《自然》在线发表。

燃料电池是将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置,具有能量转化效率高、无需耗费充能时间、零排放无污染等诸多优点。从智能手机到航空航天、国防,燃料电池都可大显身手,应用前景非常广阔。然而,燃料电池中的核心部件“质子传导膜”存在的燃料渗透等缺陷,使其大规模应用受到很大限制。

据该论文共同通讯作者吴恒安教授介绍,石墨烯是一种由碳原子按照六角蜂巢晶格排列而成的单层网状二维材料,二维氮化硼纳米材料也具有跟石墨烯相似的六角网状结构。传统观点认为,任何气体分子或流体分子,哪怕是最小的氢原子,都无法穿透不含缺陷的完美石墨烯片层。他们的研究则表明,质子可以较为容易地穿越石墨烯和氮化硼等二维材料;如果升高温度或加入催化剂,穿透过程会明显加快。而且,除了质子,其他物质都不能穿越石墨烯和氮化硼等二维材料。

据王奉超特任副研究员介绍,基于此项研究成果,可采用石墨烯和氮化硼等单原子层二维材料作为“质子传导膜”,这将使燃料电池更高效、更安全、更环保、更轻薄,其应用领域会极大拓展、应用步伐会明显加快。同时,该成果也将极大促进氢相关技术的研究。

据悉,该论文发表后,“自然“网站以首页头条形式第一时间进行了报道,同期的“自然新闻视点”栏目也对该成果进行了重点评论和展望。麻省理工学院的Karnik教授在评论中指出,质子传导膜是燃料电池的核心所在,本项研究取得的突破性进展在理论上已经达到美国能源部设定的2020年质子传导膜输运性能目标。

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