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兼具高選擇性和高導(dǎo)電性 石墨炔成甲醇電池理想膜材料

鉅大LARGE  |  點擊量:1016次  |  2019年05月13日  

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。“質(zhì)子交換膜的性能是現(xiàn)在面臨的一個‘卡脖子’問題?!壁w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(fù)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(dāng)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?!壁w天壽說。


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