换个“膜” 燃料电池汽车能跑得更远

燃料电池电瓶车作为一种新能源电动汽车，只需要一两分钟就可以充满燃料，核心部件是燃料电池，其中质子传导膜的导电性很大程度上影响了燃料电池的能量转换效率。近日，天津大学化工学院教授张生与英国曼切斯特大学诺贝尔物理学奖获得者安德烈·海姆爵士合作，证实了石墨烯、氮化硼等二维材料具有质子导电性，并进一步发现自然界广泛应用的云母比目前的商用膜性能更好，更节能环保。这两项研究成果近日发表在《自然纳米》和《自然通讯》上。

寻找更薄的“膜”提高续航里程据悉，与目前常见的家用锂离子电动汽车相比，燃料电池汽车节省了很长的充电时间，加满燃料只需要一两分钟。同时，燃料电池汽车不经过热机过程，不受热循环限制，能量转换效率高，电池寿命更长，而燃料电池发电过程的产物只有水，更加环保，因此燃料电池汽车成为未来汽车的主要发展方向之一。燃料电池的工作原理是阳极燃料氢失去电子变成质子，然后穿过质子交换膜到达阴极与氧和电子结合生成水。质子在电池内部传输，并与外部电路中的电子形成电流回路，因此质子电导率对于燃料电池的能量转换效率非常重要。目前商用的全氟磺酸质子传导膜厚度至少在5微米以上，需要在100℃以下水合才能发挥作用。这时候就需要氢气的纯度了。如果研制出100℃以上高质子传导率的膜材料，将有助于提高燃料电池的效率，降低对氢气纯度的要求，简化水管理系统，达到降低成本和污染的目的，对燃料电池汽车的商业化发展具有重要意义。“找到高效的高温质子传导膜材料并不容易。”张生说，“这种材料不仅要求薄，而且要在允许质子高速通过的同时阻挡氢的渗透。因为氢气的渗透会产生副反应，降低电池的输出电压，影响燃料电池的整体反应效率。同时还需要有耐高温的性能。”二维材料，如石墨烯，是理想的材料。张生和他的合作者首先制备了微米级单层石墨烯和氮化硼薄膜，厚度约为0.3纳米(1纳米等于0.001微米)。将膜的两面置于不同浓度的盐酸溶液中。由于浓度梯度的存在，浓度高的一侧的离子会向浓度低的另一侧扩散，离子的运动形成电流。根据该理论，他们计算出石墨烯、氮化硼等六方网格结构的二维材料，由于其特殊的物理结构，只允许直径小于10皮米(1皮米等于千分之一纳米)的粒子通过。盐酸由氢离子和氯离子组成，质子半径约为0.001皮米，氯离子半径约为180皮米，因此只有更小的质子才能通过薄膜。证明本实验中通过二维薄膜的电流都是质子传导产生的，而体积稍大的氯离子根本没有贡献。张生说:“这个实验证明，石墨烯和氮化硼二维材料只允许质子通过，可以阻挡其他离子和分子的通过，包括氢气，符合燃料电池对质子传导膜材料的要求。”不过他也承认，虽然石墨烯和氮化硼比商用质子传导膜薄(相差一万倍)，但由于结构致密，质子传导电阻较大……r，能量转换效率没有提高，不适合商业推广。云母薄膜比石墨烯更有应用前景。在确认石墨烯等二维材料可以作为质子传导材料的基础上，张生及其合作者经过两年的积极探索，发现另一种二维材料云母在燃料电池领域比石墨烯更有应用前景。“云母是地壳中储量极其丰富，价格又非常低廉的一种矿物。它的主体由像海绵一样的铝硅酸盐层组成，钾离子像水一样存在于大量的孔隙中。”张生说，由于离子交换反应，钾离子可以很容易地与质子交换。因为钾离子的半径在100皮米左右，质子的半径在0.001皮米左右，体积要小很多，所以质子可以很好的在钾离子所在的孔隙中传输。研究发现，经离子交换处理后的云母膜质子导电性大大提高，使用温度可从100℃提高到500℃，具有很大的应用前景。张生说:“我们发现云母膜的质子传导率在离子交换反应后增加了100倍。同时云母薄膜具有较高的热稳定性，储量丰富，价格低廉。”还发现，在150℃的温度下，云母膜的质子传导率是目前商用要求的2倍以上，应用于燃料电池后，汽车的行驶里程将大大提高。目前，张正带领研究团队制备大规模的云母薄膜，并利用其高效的质子传导性和优异的耐热性，改进现有的燃料电池技术，推动燃料电池汽车的发展。除了燃料电池，张生还计划在许多清洁能源技术中使用上述质子传导膜材料，如太阳能光解水、海洋蓝色能源提取、二氧化碳电化学转化为甲酸、乙醇、乙烯等化工原料。燃料电池电瓶车作为一种新能源电动汽车，只需要一两分钟就可以充满燃料，核心部件是燃料电池，其中质子传导膜的导电性很大程度上影响了燃料电池的能量转换效率。近日，天津大学化工学院教授张生与英国曼切斯特大学诺贝尔物理学奖获得者安德烈·海姆爵士合作，证实了石墨烯、氮化硼等二维材料具有质子导电性，并进一步发现自然界广泛应用的云母比目前的商用膜性能更好，更节能环保。这两项研究成果近日发表在《自然纳米》和《自然通讯》上。

寻找更薄的“膜”提高续航里程据悉，与目前常见的家用锂离子电动汽车相比，燃料电池汽车节省了很长的充电时间，加满燃料只需要一两分钟。同时，燃料电池汽车不经过热机过程，不受热循环限制，能量转换效率高，电池寿命更长，而燃料电池发电过程的产物只有水，更加环保，因此燃料电池汽车成为未来汽车的主要发展方向之一。燃料电池的工作原理是阳极燃料氢失去电子变成质子，然后穿过质子交换膜到达阴极与氧和电子结合生成水。质子在电池内部传输，并与外部电路中的电子形成电流回路，因此质子电导率对于燃料电池的能量转换效率非常重要。目前商用的全氟磺酸质子传导膜厚度至少在5微米以上，需要在100℃以下水合才能发挥作用。这时候就需要氢气的纯度了。如果研制出100℃以上高质子传导率的膜材料，将有助于提高燃料电池的效率，降低对氢气纯度的要求，简化水管理系统，达到降低成本和污染的目的，是一种很有前途的燃料电池。对燃料电池汽车的商业化发展具有重要意义。“找到高效的高温质子传导膜材料并不容易。”张生说，“这种材料不仅要求薄，而且要在允许质子高速通过的同时阻挡氢的渗透。因为氢气的渗透会产生副反应，降低电池的输出电压，影响燃料电池的整体反应效率。同时还需要有耐高温的性能。”二维材料，如石墨烯，是理想的材料。张生和他的合作者首先制备了微米级单层石墨烯和氮化硼薄膜，厚度约为0.3纳米(1纳米等于0.001微米)。将膜的两面置于不同浓度的盐酸溶液中。由于浓度梯度的存在，浓度高的一侧的离子会向浓度低的另一侧扩散，离子的运动形成电流。根据该理论，他们计算出石墨烯、氮化硼等六方网格结构的二维材料，由于其特殊的物理结构，只允许直径小于10皮米(1皮米等于千分之一纳米)的粒子通过。盐酸由氢离子和氯离子组成，质子半径约为0.001皮米，氯离子半径约为180皮米，因此只有更小的质子才能通过薄膜。证明本实验中通过二维薄膜的电流都是质子传导产生的，而体积稍大的氯离子根本没有贡献。张生说:“这个实验证明，石墨烯和氮化硼二维材料只允许质子通过，可以阻挡其他离子和分子的通过，包括氢气，符合燃料电池对质子传导膜材料的要求。”但他也承认，石墨烯和氮化硼虽然比商用质子传导膜薄(相差一万倍)，但由于结构致密，质子传导阻力大于商用膜，能量转换效率并没有提高，因此不适合商业推广。云母薄膜比石墨烯更有应用前景。在确认石墨烯等二维材料可以作为质子传导材料的基础上，张生及其合作者经过两年的积极探索，发现另一种二维材料云母在燃料电池领域比石墨烯更有应用前景。“云母是地壳中储量极其丰富，价格又非常低廉的一种矿物。它的主体由像海绵一样的铝硅酸盐层组成，钾离子像水一样存在于大量的孔隙中。”张生说，由于离子交换反应，钾离子可以很容易地与质子交换。因为钾离子的半径在100皮米左右，质子的半径在0.001皮米左右，体积要小很多，所以质子可以很好的在钾离子所在的孔隙中传输。研究发现，经离子交换处理后的云母膜质子导电性大大提高，使用温度可从100℃提高到500℃，具有很大的应用前景。张生说:“我们发现云母膜的质子传导率在离子交换反应后增加了100倍。同时云母薄膜具有较高的热稳定性，储量丰富，价格低廉。”还发现，在150℃的温度下，云母膜的质子传导率是目前商用要求的2倍以上，应用于燃料电池后，汽车的行驶里程将大大提高。目前，张正带领研究团队制备大规模的云母薄膜，并利用其高效的质子传导性和优异的耐热性，改进现有的燃料电池技术，推动燃料电池汽车的发展。除了燃料电池，张生还计划在许多清洁能源技术中使用上述质子传导膜材料，如太阳能光解水、海洋蓝色能源提取、二氧化碳电化学转化为甲酸、乙醇、乙烯等化工原料。

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