燃料電池是將燃料具有的化學(xué)能直接變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置。與其他電池相比，具有能量轉(zhuǎn)化效率高、無(wú)須耗費(fèi)充能時(shí)間、零排放無(wú)環(huán)境污染等諸多優(yōu)點(diǎn)。然而，燃料電池中的核心部件“質(zhì)子傳導(dǎo)膜”存在燃料滲透等難題，極大限制了燃料電池的大規(guī)模應(yīng)用。
吳恒安介紹，石墨烯是一種由碳原子按照六角蜂巢晶格排列而成的單層網(wǎng)狀二維材料，二維氮化硼納米材料也具有跟石墨烯相似的六角網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。中德荷科學(xué)家的研究表明，質(zhì)子可以較為容易地“穿越”石墨烯和氮化硼等二維材料，而其他物質(zhì)則很難穿越，從而解決了燃料滲透的問(wèn)題。而且，升高溫度或加入催化劑可顯著促進(jìn)質(zhì)子穿越的過(guò)程。
在該項(xiàng)工作中，中國(guó)科學(xué)家作出的核心貢獻(xiàn)，是采用計(jì)算機(jī)模擬了二維納米材料的微觀(guān)孔隙結(jié)構(gòu)，解釋了質(zhì)子穿透的機(jī)理，并計(jì)算得到了質(zhì)子通過(guò)石墨烯類(lèi)膜材料所需要的最小能量，進(jìn)一步對(duì)該過(guò)程給出了定量化的描述。
國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》11月26日在線(xiàn)發(fā)表了這一研究成果。隨后，“自然”網(wǎng)站就以首頁(yè)頭條形式第一時(shí)間進(jìn)行了報(bào)道，同期的“新聞視點(diǎn)”欄目也專(zhuān)題進(jìn)行了重點(diǎn)評(píng)論和展望。麻省理工學(xué)院的Karnik教授在評(píng)論中指出，質(zhì)子傳導(dǎo)膜是質(zhì)子交換膜燃料電池的核心所在，本項(xiàng)研究取得的突破性進(jìn)展在理論上已經(jīng)達(dá)到美國(guó)能源部設(shè)定的2020年質(zhì)子交換膜輸運(yùn)性能目標(biāo)。
王奉超在展望該研究應(yīng)用前景時(shí)指出，如果采用石墨烯和氮化硼等單原子層二維材料作為“質(zhì)子傳導(dǎo)膜”，可使現(xiàn)代燃料電池更高效、更安全、更環(huán)保、更輕薄。且燃料電池技術(shù)的發(fā)展前景無(wú)限廣闊，從智能手機(jī)電源到航空航天、國(guó)防領(lǐng)域，都會(huì)有廣泛應(yīng)用。
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