11月16日,記者從天津大學(xué)了解到,該?;W(xué)院張生教授與英國(guó)曼徹斯特大學(xué)諾貝爾物理獎(jiǎng)得主安德烈·海姆教授等人合作,證實(shí)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(xiàng)研究成果有望推進(jìn)氫燃料電池汽車(chē)的商業(yè)化發(fā)展。
張生介紹說(shuō):“云母薄膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率提高了100倍,這是令人鼓舞的。目前石墨烯被認(rèn)為是一種有前景的質(zhì)子傳導(dǎo)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?yàn)樗馁|(zhì)子傳導(dǎo)性更好、熱穩(wěn)定性更高,且儲(chǔ)量豐富價(jià)格低廉。”研究還發(fā)現(xiàn),在150℃條件下,云母膜質(zhì)子傳導(dǎo)率超過(guò)了目前商業(yè)化要求的2倍,也就是說(shuō)將其用于燃料電池后,汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)相比,氫燃料電池汽車(chē)充電時(shí)間較短,只需要一兩分鐘即可加滿(mǎn)燃料,且能量轉(zhuǎn)換效率極高,續(xù)航更長(zhǎng)。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(guò)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(dǎo)膜的氫離子傳導(dǎo)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(dǎo)膜厚度至少在5微米以上,若能開(kāi)發(fā)更薄的膜材料,將有助于質(zhì)子傳導(dǎo)性的提高,對(duì)燃料電池汽車(chē)具有重要的推動(dòng)意義。
該研究團(tuán)隊(duì)制備了微米級(jí)的單層氮化硼薄膜,并根據(jù)理論計(jì)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(guò)。他們實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),通過(guò)氮化硼薄膜的電流全部是由氫離子傳導(dǎo)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(gè)重要進(jìn)展,同時(shí)也對(duì)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(kāi)發(fā)具有重要意義。”張生表示。
進(jìn)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(guò)的性能,但其傳輸阻力較高,氫離子傳導(dǎo)速度較慢,不宜進(jìn)行商業(yè)化推廣。為此,研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了具有高質(zhì)子傳導(dǎo)率的新型質(zhì)子傳導(dǎo)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(dǎo)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(tuán)隊(duì)正在制備大尺度云母膜,利用其高效的質(zhì)子傳導(dǎo)性和優(yōu)良的耐熱性,用于改進(jìn)現(xiàn)有燃料電池技術(shù),推動(dòng)燃料電池汽車(chē)的發(fā)展和完善。此外,該膜材料還可用于液流電池、太陽(yáng)能光解水、海洋藍(lán)色能源提取,以及二氧化碳電化學(xué)轉(zhuǎn)化成甲酸、乙醇、乙烯等清潔能源技術(shù)。
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