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荷蘭萊頓大學/北京大學/德國馬普所馮新亮院士/張偉哲合作Nat. Commun.：單層功能化石墨烯薄膜材料直接應(yīng)用于燃料電池

文章來源：新能源網(wǎng) 更新時間：2025-12-05 11:19:32

本研究以“單層石墨烯是否能真正作為高性能質(zhì)子膜用于燃料電池”為核心問題，通過對厘米級單晶 CVD 石墨烯進行可控的磺基苯基化功能化，實現(xiàn)了質(zhì)子跨膜電導(dǎo)的大幅提升，并在直接甲醇燃料電池（DMFC）中驗證了材料在實際操作條件下的選擇性、穩(wěn)定性與功率輸出表現(xiàn)。本研究通過在實際器件中的研究,不僅指出了單層石墨烯在平衡質(zhì)子選擇性和透過性上的獨特材料特性,同時也驗證了單原子薄膜材料在實際電化學器件中應(yīng)用的可行性.
石墨烯作為單原子層二維材料，被認為同時具備兩種看似矛盾的特質(zhì)：

一方面，理想的碳六元環(huán)幾乎對所有分子都不可滲透；
另一方面，近幾年多項研究顯示，它在嚴格條件下仍允許質(zhì)子以可測方式穿透。

這讓石墨烯成為潛在的終極質(zhì)子交換膜：極薄、高選擇性、結(jié)構(gòu)可調(diào)。
然而，未功能化的石墨烯質(zhì)子通量有限，而且實際 CVD 膜包含缺陷、褶皺與微裂紋，使其跨膜行為難以預(yù)測。要真正進入燃料電池應(yīng)用，需要一種能夠在單層石墨烯表面“打開質(zhì)子路徑但不引入甲醇通道”的方法

我的研究起點源于一個看似簡單卻長期未被解決的問題：單層石墨烯是否能夠通過合理設(shè)計，實現(xiàn)可控、可選擇的離子跨膜傳輸？

在探索合適的化學策略時，劉學（當時的博士后師兄）提出了使用 苯磺酸重氮鹽對石墨烯進行功能化的想法。基于這一建議，我對離子電流測量體系進行了系統(tǒng)優(yōu)化，并首次在機械剝離石墨烯上驗證：苯磺酸化單層石墨烯不僅能展現(xiàn)超過 50 S·cm?² 的質(zhì)子導(dǎo)度，同時仍保持接近理想的質(zhì)子選擇性。

這一結(jié)果令人振奮，但實驗室中的離子電流測量并不能說明這種材料在實際能源器件中是否具有真正的應(yīng)用價值。于是，工作的第二階段轉(zhuǎn)向更具挑戰(zhàn)性的方向——將單層石墨烯薄膜直接應(yīng)用到燃料電池系統(tǒng)中進行驗證。

為此，我對大面積單層石墨烯薄膜的制備流程進行了調(diào)整，并設(shè)計了一套適用于原子級薄膜的 DMFC（直接甲醇燃料電池）測試結(jié)構(gòu)。在這一關(guān)鍵階段，我們得到了北京石墨烯研究院劉忠范院士團隊的大力支持。特別是孫祿釗博士，他帶領(lǐng)團隊與我們進行了多輪深入討論，最終確定采用 單層單晶 CVD 石墨烯 作為可靠且可放大的研究基底。

隨著材料與方法的明確，研究進一步圍繞幾個核心科學問題展開：

磺苯基功能化的最佳時間窗口是什么？
sp³畸變?nèi)绾胃淖兪┑目缒つ軌荆?/span>
在真實燃料電池環(huán)境中，質(zhì)子選擇性是否仍能保持？

在理論計算部分，我們的研究同樣得到了強有力的支持。馬普所馮新亮院士為我們提供了方向性的建議，而德累斯頓工大 Thomas Heine 教授團隊則為本研究建立起從結(jié)構(gòu)畸變到跨膜能壘變化的完整理論模型，使實驗觀察得到了扎實的理論支撐。

這一系列問題的提出、驗證與反復(fù)求證，形成了本文研究的核心脈絡(luò)：從化學功能化的可行性，到跨膜傳輸機制的理解，再到燃料電池中真實情境下的性能驗證。

1. 單層石墨烯如何被“輕柔地”推入 sp³ 狀態(tài)？

研究以 diazonium 化學為核心，在石墨烯表面引入帶負電荷的 —SO??官能團，使局部碳由 sp² 轉(zhuǎn)為 sp³，并伴隨輕微的出平面畸變。

DFT/WKB 模擬顯示，這種畸變會降低質(zhì)子隧穿勢壘，并使質(zhì)子在官能團附近更容易“被捕獲并傳遞”到石墨烯平面附近，再完成隧穿過程。

這里的關(guān)鍵點并非“打孔”，而是構(gòu)筑一個化學意義上的“質(zhì)子接力站”。

2. 功能化的真正尺度：不是納米，而是厘米

團隊使用厘米級單晶 CVD 石墨烯，減少晶界與隨機結(jié)構(gòu)缺陷，讓所有變化主要來自功能化本身。

AFM 顯示在 4 天處理后表面粗糙度增加但趨于穩(wěn)定，HRTEM甚至在幾天處理后仍未觀察到 >1 nm 孔洞——說明跨膜路徑并非來自破壞性打孔，而確實來自“化學調(diào)控下的隧穿通道”。

3. 跨膜電導(dǎo)的上升與下降：一個隱藏的化學平衡

跨膜質(zhì)子電導(dǎo)在 4 天時達到峰值（30.9 S·cm?²，為原始的 4 倍以上）。繼續(xù)處理反而下降。結(jié)合 XPS 顯示的 −N=N−與硫含量不斷增加，團隊推斷：4 天后體系中寡聚化（而非進一步的共價鍵接枝）開始主導(dǎo)化學行為，阻礙質(zhì)子通量。這是材料化學中一個典型的“窗口效應(yīng)”，而本工作將這一現(xiàn)象直接與燃料電池性能關(guān)聯(lián)。

4. 燃料電池驗證：跨尺度結(jié)果一致

當將功能化石墨烯作為 DMFC 膜測試時：

4 天樣品的功率密度提升至 ~110 mW/cm²（高于 Nafion 117）
6 天樣品性能下降，與跨膜電導(dǎo)趨勢一致
升高甲醇濃度（1 M → 5 M）時，Nafion 性能大幅下降，而 SO??-graphene 基本保持穩(wěn)定
燃料利用率 η200 mV 可達 79%

實驗體現(xiàn)出化學結(jié)構(gòu)—跨膜電導(dǎo)—實際燃料電池性能之間清晰的因果鏈條，而非單點式優(yōu)化。
總結(jié)與展望

本研究從分子尺度的 sp³ 畸變起步，逐層驗證到單層膜的跨膜電導(dǎo)，再到厘米尺度膜在真實燃料電池中的功率輸出，形成了一個跨尺度、可追溯的科學敘事。重要的不只是石墨烯“可以”，而是：石墨烯在何種化學功能化下，可以以一種可控、可預(yù)測的方式傳導(dǎo)質(zhì)子并保持選擇性。未來值得探索的方向包括：

功能團的方向性控制（雙面 vs 單面）
sp³ 畸變的可設(shè)計性
在二維聚合物等多層結(jié)構(gòu)中擴展這一機制
進一步解析官能團與電解液界面處的真實電場與質(zhì)子耦合

圖文解析

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