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给燃料电池汽车换个“膜”它能够跑得更远

(文章滥觞:中国科技网)

燃料电池汽车作为一种新能源电动车,只必要一两分钟即可加满燃料,核心组件便是燃料电池,此中质子传导膜的导电性在很大年夜程度上影响着燃料电池的能量转化效率。近日,天津大年夜学化工学院教授张生与英国曼彻斯特大年夜学诺贝尔物理奖得主安德烈·海姆爵士等人相助,证明了石墨烯、氮化硼等二维材料具有质子传导性,并进一步发明,自然界中广泛存在的云母用于燃料电池的高温质子互换膜比今朝商用膜机能更优,加倍节能环保。

据悉,与今朝常见的家用锂离子电动汽车比拟,燃料电池汽车省去了漫长的充电光阴,只必要一两分钟即可加满燃料。同时燃料电池汽车不经历热机历程,不受热力轮回限定,能量转换效率极高,续航更长,而燃料电池发电历程的产物只有水,加倍环保,是以燃料电池汽车成为了未来汽车的主要成长偏向之一。

燃料电池的事情道理是阳极燃料氢气掉去电子成为质子,而后穿过质子互换膜到达阴极与氧气、电子结合天生水,质子在电池内部传输与外电路的电子构成电流回路,是以质子传导机能对付燃料电池能量转化效率异常关键。今朝商用全氟磺酸质子传导膜厚度至少在5微米以上,必要在100℃以下处于水合状态才能发挥感化,此时对氢气的纯度要求较高。若开拓出100℃以上可以高效传导质子的膜材料,将有助于前进燃料电池效率,低落对氢气纯度的要求,简化水治理系统,达到低落资源、削减污染的目的,对燃料电池汽车的商业成长具有紧张意义。

“探求高效的高温质子传导膜材料并不轻易。”张生先容说,“这种材料不仅要求薄,而且在容许质子高速经由过程的同时,还得阻挡氢气的渗透。由于氢气的渗透会孕育发生副反映,低落电池输出电压,影响燃料电池的整体反映效率。同时它还需具备耐高温的特点。”

张生首先与相助者制备了微米级的单层石墨烯、氮化硼薄膜,厚度约为0.3纳米(1纳米即是0.001微米),将该薄膜两侧分手放置于不合浓度的盐酸溶液中,因为浓差梯度的存在,浓度高的一侧的离子会向浓度低的一侧扩散,离子的运动形成了电流。

他们根据理论谋略出具有六边网格布局的石墨烯和氮化硼等二维材料因为其特殊的物理布局,只容许直径小于10皮米(1皮米即是千分之一纳米)的粒子经由过程。盐酸由氢离子和氯离子组成,质子半径约为0.001皮米,氯离子半径约为180皮米,以是只有较小的质子才能经由过程该薄膜。由此证实,该实验中经由过程二维薄膜的电流整个是由质子传导孕育发生的,而体积稍大年夜的氯离子则完全没有供献。

张生表示:“经由过程这个实验证实,石墨烯与氮化硼二维材料只容许质子经由过程,能阻挡其他离子与分子,包括氢气的经由过程,满意了燃料电池质子传导膜材料的要求。”但他也坦言,石墨烯和氮化硼虽然比商业质子传导膜更薄(相差一万倍),但因为布局过于致密,导致质子传导阻力大年夜于商业膜, 能量转化效率并没有前进,不合适做商业化推广。

在证明石墨烯等二维材料可以作为质子传导材料的根基上,张生和相助者们颠末两年的积极探索发明另一种二维材料云母比石墨烯在燃料电池领域更具利用前景。

“云母是一种在地壳中储量极其富厚且价格十分低廉的矿物,其主体由像海绵一样的铝硅酸盐层组成,钾离子则像水一样在此中的孔隙中大年夜量存在。”张生先容说,因为离子互换反映,钾离子可以很轻易地与质子进行互换。由于钾离子半径约为100皮米,而质子半径约为0.001皮米,体积要小得多,是以质子可以很好地在钾离子所在的孔隙中进行传输。

钻研发明,离子互换处置惩罚后的云母膜,质子传导率获得极大年夜前进,且应用温度可以从100℃延伸到500℃,极具利用前景。张生先容说:“我们发明离子互换反映后的云母膜质子传导率前进了100倍。同时云母膜热稳定性更高,且储量富厚、价格低廉。”钻研还发明在150℃的温度下,云母膜质子传导率跨越了今朝商业化要求的两倍,利用于燃料电池后,汽车的行驶里程将会有很大年夜前进。

今朝张生正带领钻研团队制备大年夜尺度云母薄膜,使用其高效的质子传导性和精良的耐热性,对现有燃料电池技巧进行改善,推动燃料电池汽车的成长。除了燃料电池之外,张生还计划将上述质子传导膜材料用于太阳能光解水、海洋蓝色能源提取,以及二氧化碳电化学转化成甲酸、乙醇、乙烯等化工质料的浩繁洁净能源技巧。

(责任编辑:fqj)

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