直接甲醇燃料電池被認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，具備高質(zhì)子傳導(dǎo)性和高選擇性，能有效阻隔甲醇燃料的滲透。

質(zhì)子交換膜的作用是阻隔陰陽兩極，傳導(dǎo)質(zhì)子?！百|(zhì)子交換膜的性能是現(xiàn)在面臨的一個‘卡脖子’問題。”趙天壽介紹，目前燃料電池用質(zhì)子交換膜主要采用美國杜邦公司生產(chǎn)的Nafion膜，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，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)生負反應(yīng)，會導(dǎo)致催化劑中毒，降低電池性能，縮短電池壽命。

石墨炔具備的孔徑結(jié)構(gòu)均一、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。課題組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。他們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)，當石墨炔孔徑大于1.2納米時，石墨炔和水形成的是一個水相—真空相交錯的界面，其中水相可使質(zhì)子快速傳導(dǎo)，而真空相可有效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。

“除了石墨炔外，未來我們還將繼續(xù)探究是否存在其他質(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。