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香港科技大學(xué)：石墨炔膜材料可實(shí)現(xiàn)甲醇零滲透
文章來(lái)源：未知 更新時(shí)間：2019-03-19 14:29:55
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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?xún)?chǔ)存和運(yùn)輸。直接甲醇燃料電池以甲醇為燃料，無(wú)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(chǔ)存，已成為近年來(lái)國(guó)際上研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。
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(yáng)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(gè)‘卡脖子’問(wèn)題。”趙天壽告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，目前燃料電池用的質(zhì)子交換膜主要是美國(guó)杜邦公司生產(chǎn)的Nafion膜。但其最大問(wèn)題是甲醇滲透率高。位于陽(yáng)極的甲醇會(huì)通過(guò)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(fèi)，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(zhǎng)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(diǎn)，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(guò)原子尺度的模擬，對(duì)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(shí)，石墨炔和水形成的是一個(gè)水相-真空相交錯(cuò)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(jì)提供了新的可能性。
“除了石墨炔外，未來(lái)我們還將繼續(xù)探究是否還存在其他同時(shí)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(shí)開(kāi)展工業(yè)應(yīng)用可行性研究，以期解決實(shí)際生產(chǎn)中的問(wèn)題。”趙天壽說(shuō)。 |
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