燃料電池汽車作為一種新能源電動車，只需要一兩分鐘即可加滿燃料，核心組件就是燃料電池，其中質子傳導膜的導電性在很大程度上影響著燃料電池的能量轉化效率。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子傳導性，並進一步發現，自然界中廣泛存在的雲母用於燃料電池的高溫質子交換膜比目前商用膜性能更優，更加節能環保。這兩項研究成果近期發表在《自然·納米》與《自然·通訊》上。
尋找更薄的“膜”提高續航里程
據悉，與目前常見的家用鋰離子電動汽車相比，燃料電池汽車省去了漫長的充電時間，只需要一兩分鐘即可加滿燃料。同時燃料電池汽車不經歷熱機過程，不受熱力循環限制，能量轉換效率極高，續航更長，而燃料電池發電過程的產物只有水，更加環保，因此燃料電池汽車成為了未來汽車的主要發展方向之一。
燃料電池的工作原理是陽極燃料氫氣失去電子成為質子，而後穿過質子交換膜到達陰極與氧氣、電子結合生成水，質子在電池內部傳輸與外電路的電子構成電流回路，因此質子傳導性能對於燃料電池能量轉化效率非常關鍵。目前商用全氟磺酸質子傳導膜厚度至少在5微米以上，需要在100℃以下處於水合狀態才能發揮作用，此時對氫氣的純度要求較高。若開發出100℃以上可以高效傳導質子的膜材料，將有助於提高燃料電池效率，降低對氫氣純度的要求，簡化水管理系統，達到降低成本、減少汙染的目的，對燃料電池汽車的商業發展具有重要意義。
“尋找高效的高溫質子傳導膜材料並不容易。”張生介紹說，“這種材料不僅要求薄，而且在允許質子高速通過的同時，還得阻擋氫氣的滲透。因為氫氣的滲透會產生副反應，降低電池輸出電壓，影響燃料電池的整體反應效率。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
張生首先與合作者製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納米等於0.001微米），將該薄膜兩側分別放置於不同濃度的鹽酸溶液中，由於濃差梯度的存在，濃度高的一側的離子會向濃度低的一側擴散，離子的運動形成了電流。
他們根據理論計算出具有六邊網格結構的石墨烯和氮化硼等二維材料由於其特殊的物理結構，只允許直徑小於10皮米（1皮米等於千分之一納米）的粒子通過。鹽酸由氫離子和氯離子組成，質子半徑約為0.001皮米，氯離子半徑約為180皮米，所以只有較小的質子才能通過該薄膜。由此證明，該實驗中通過二維薄膜的電流全部是由質子傳導產生的，而體積稍大的氯離子則完全沒有貢獻。張生表示：“通過這個實驗證明，石墨烯與氮化硼二維材料只允許質子通過，能阻擋其他離子與分子，包括氫氣的通過，滿足了燃料電池質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質子傳導膜更薄（相差一萬倍），但由於結構過於緻密，導致質子傳導阻力大於商業膜， 能量轉化效率並沒有提高，不適宜做商業化推廣。
雲母膜比石墨烯更具應用前景
在證實石墨烯等二維材料可以作為質子傳導材料的基礎上，張生和合作者們經過兩年的積極探索發現另一種二維材料雲母比石墨烯在燃料電池領域更具應用前景。
“雲母是一種在地殼中儲量極其豐富且價格十分低廉的礦物，其主體由像海綿一樣的鋁硅酸鹽層組成，鉀離子則像水一樣在其中的孔隙中大量存在。”張生介紹說，由於離子交換反應，鉀離子可以很容易地與質子進行交換。因為鉀離子半徑約為100皮米，而質子半徑約為0.001皮米，體積要小得多，因此質子可以很好地在鉀離子所在的孔隙中進行傳輸。
研究發現，離子交換處理後的雲母膜，質子傳導率得到極大提高，且使用溫度可以從100℃延伸到500℃，極具應用前景。張生介紹說：“我們發現離子交換反應後的雲母膜質子傳導率提高了100倍。同時雲母膜熱穩定性更高，且儲量豐富、價格低廉。”研究還發現在150℃的溫度下，雲母膜質子傳導率超過了目前商業化要求的兩倍，應用於燃料電池後，汽車的行駛里程將會有很大提高。
目前張生正帶領研究團隊製備大尺度雲母薄膜，利用其高效的質子傳導性和優良的耐熱性，對現有燃料電池技術進行改良，推動燃料電池汽車的發展。除了燃料電池之外，張生還計劃將上述質子傳導膜材料用於太陽能光解水、海洋藍色能源提取，以及二氧化碳電化學轉化成甲酸、乙醇、乙烯等化工原料的眾多清潔能源技術。
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