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 直接甲醇燃料電池被認(rèn)為是最有前途的清潔高效能源電池之一，其中，質(zhì)子交換膜是影響直接甲醇燃料電池能量效率、功率密度等的核心部件。近日，香港科技大學(xué)教授趙天壽課題組發(fā)現(xiàn)新型二維碳納米材料石墨炔是較為理想的質(zhì)子交換膜材料，具備高選擇性和高導(dǎo)電性，能有效阻隔甲醇燃料的滲透。相關(guān)成果發(fā)表于《自然—通訊》上。

傳統(tǒng)燃料電池通常以氫氣為燃料，但氫氣難以儲存和運輸。直接甲醇燃料電池以甲醇為燃料，無需重整或轉(zhuǎn)化，可直接在電極上反應(yīng)轉(zhuǎn)變成電能，能量密度高、安全高效且易儲存，已成為近年來國際上研究和開發(fā)的熱點。

質(zhì)子交換膜是直接甲醇燃料電池的“心臟”，其作用是阻隔陰陽兩極，傳導(dǎo)質(zhì)子。

“質(zhì)子交換膜的性能是現(xiàn)在面臨的一個‘卡脖子’問題。”趙天壽告訴《中國科學(xué)報》，目前燃料電池用的質(zhì)子交換膜主要是美國杜邦公司生產(chǎn)的Nafion膜。但其最大問題是甲醇滲透率高。位于陽極的甲醇會通過質(zhì)子交換膜向陰極滲透，這一方面造成了甲醇燃料的浪費，降低了能源利用效率；另一方面甲醇滲透到陰極后發(fā)生負(fù)反應(yīng)，導(dǎo)致催化劑中毒，大大降低電池性能，縮短電池壽命。

趙天壽課題組長期致力于燃料電池的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，有著十五年的積累。此次，研究人員全面探究了二維碳納米材料石墨炔作為質(zhì)子交換膜材料的可行性，及其質(zhì)子傳導(dǎo)率和阻醇率。

據(jù)介紹，石墨炔具備均一的孔徑結(jié)構(gòu)、孔內(nèi)尺寸可調(diào)控等特點，是研究質(zhì)子選擇性傳導(dǎo)行為的理想二維材料。

研究人員通過原子尺度的模擬，對石墨炔界面處的質(zhì)子及甲醇分子的穿透行為進(jìn)行分析，得到質(zhì)子傳導(dǎo)率和甲醇滲透率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)石墨炔孔徑大于1.2nm時，石墨炔和水形成的是一個水相-真空相交錯的界面，其中水相可以使得質(zhì)子快速傳導(dǎo)，而真空相可以有效地阻擋甲醇分子的穿透。這一發(fā)現(xiàn)為零滲透質(zhì)子選擇膜的設(shè)計提供了新的可能性。

“除了石墨炔外，未來我們還將繼續(xù)探究是否還存在其他同時具備高質(zhì)子傳導(dǎo)性和高選擇性的質(zhì)子交換膜材料，同時開展工業(yè)應(yīng)用可行性研究，以期解決實際生產(chǎn)中的問題。”趙天壽說。