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天大制備燃料電池用新型云母膜

發布時間:2019-11-19 15:25:05

  11月16日,記者從天津大學了解到,該校化工學院張生教授與英國曼徹斯特大學諾貝爾物理獎得主安德烈·海姆教授等人合作,證實了石墨烯、氮化硼等二維材料中氫離子傳輸的選擇性為100%,并發現云母可以用作燃料電池的高溫質子交換膜。這兩項研究成果有望推進氫燃料電池汽車的商業化發展。


  張生介紹說:“云母薄膜的質子傳導率提高了100倍,這是令人鼓舞的。目前石墨烯被認為是一種有前景的質子傳導材料,我們的研究則發現云母可能比石墨烯更有前景,因為它的質子傳導性更好、熱穩定性更高,且儲量豐富價格低廉。”研究還發現,在150℃條件下,云母膜質子傳導率超過了目前商業化要求的2倍,也就是說將其用于燃料電池后,汽車的行駛里程也將極大提升。


  據張生介紹,與目前的鋰離子電池電動汽車相比,氫燃料電池汽車充電時間較短,只需要一兩分鐘即可加滿燃料,且能量轉換效率極高,續航更長。其核心組件燃料電池的工作原理是氫氣失去電子成為氫離子,而后穿過質子交換膜在電池內部傳輸形成完整的電流回路。因此,質子傳導膜的氫離子傳導性能在很大程度上影響著燃料電池的能量轉化效率。目前,商業化質子傳導膜厚度至少在5微米以上,若能開發更薄的膜材料,將有助于質子傳導性的提高,對燃料電池汽車具有重要的推動意義。


  該研究團隊制備了微米級的單層氮化硼薄膜,并根據理論計算出具有六邊網格結構的石墨烯和氮化硼等二維材料只允許直徑小于10皮米的粒子通過。他們實驗發現,通過氮化硼薄膜的電流全部是由氫離子傳導產生的。“這不僅是我們理解質子和薄膜相互作用的一個重要進展,同時也對石墨烯等二維材料在高效膜分離領域的基礎研究與應用開發具有重要意義。”張生表示。


  進一步的研究發現,石墨烯、氮化硼等雖具有只允許氫離子通過的性能,但其傳輸阻力較高,氫離子傳導速度較慢,不宜進行商業化推廣。為此,研究團隊開發了具有高質子傳導率的新型質子傳導膜材料——云母膜。研究發現,處理后的云母薄膜質子傳導率得到極大提高,且使用溫度從100℃延伸到了500℃,極具應用前景。


  目前,研究團隊正在制備大尺度云母膜,利用其高效的質子傳導性和優良的耐熱性,用于改進現有燃料電池技術,推動燃料電池汽車的發展和完善。此外,該膜材料還可用于液流電池、太陽能光解水、海洋藍色能源提取,以及二氧化碳電化學轉化成甲酸、乙醇、乙烯等清潔能源技術。
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