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香港科技大學|石墨炔膜材料可實現甲醇零滲透

放大字體  縮小字體 發布日期:2019-04-10  作者:中國碳谷網  瀏覽次數:561
核心提示:    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,質子交換膜是影響直接甲醇燃料電池能量效率、功率密度
  

  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,香港科技大學教授趙天壽課題組發現新型二維碳納米材料石墨炔是較為理想的質子交換膜材料,具備高選擇性和高導電性,能有效阻隔甲醇燃料的滲透。相關成果發表于《自然—通訊》上。

  傳統燃料電池通常以氫氣為燃料,但氫氣難以儲存和運輸。直接甲醇燃料電池以甲醇為燃料,無須重整或轉化,可直接在電極上反應轉變成電能,能量密度高、安全高效且易儲存,已成為近年來國際上研究和開發的熱點。質子交換膜是直接甲醇燃料電池的“心臟”,其作用是阻隔陰陽兩極,傳導質子。

  “質子交換膜的性能是現在面臨的一個‘卡脖子’問題。”趙天壽告訴《中國科學報》,目前燃料電池用的質子交換膜主要是美國杜邦公司生產的Nafion膜。但其最大問題是甲醇滲透率高。位于陽極的甲醇會通過質子交換膜向陰極滲透,這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生負反應,導致催化劑中毒,大大降低電池性能,縮短電池壽命。

  此次,研究人員全面探究了二維碳納米材料石墨炔作為質子交換膜材料的可行性,及其質子傳導率和阻醇率。

  研究人員通過原子尺度的模擬,對石墨炔界面處的質子及甲醇分子的穿透行為進行分析,得到質子傳導率和甲醇滲透率。結果發現當石墨炔孔徑大于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,其中水相可以使得質子快速傳導,而真空相可以有效地阻擋甲醇分子的穿透。

  這一發現為零滲透質子選擇膜的設計提供了新可能性。“除了石墨炔外,未來我們還將繼續探究是否還存在其他同時具備高質子傳導性和高選擇性的質子交換膜材料,同時開展工業應用可行性研究,以期解決實際生產中的問題。”趙天壽說。

相關論文信息:

DOI:10.1038/s41467-019-09151-8

來源:科學網

 
 
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