11月16日，記者從天津大學(xué)了解到，該校化工學(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)汽車相比，氫燃料電池汽車充電時(shí)間較短，只需要一兩分鐘即可加滿燃料，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)。