燃料电池轿车作为一种新动力电动车，只需要一两分钟即可加满燃料，中心组件便是燃料电池，其间质子传导膜的导电性在很大程度上影响着燃料电池的能量转化功率。近来，天津大学化工学院教授张生与英国曼彻斯特大学诺贝尔物理奖得主安德烈·海姆爵士等人协作，证明了石墨烯、氮化硼等二维资料具有质子传导性，并进一步发现，天然界中广泛存在的云母用于燃料电池的高温质子交流膜比现在商用膜功能更优，愈加节能环保。
这两项研讨成果近期宣布在《天然·纳米》与《天然·通讯》上。
寻觅更薄的“膜”进步续航路程
据悉，与现在常见的家用锂离子电动轿车比较，燃料电池轿车省去了绵长的充电时刻，只需要一两分钟即可加满燃料。一起燃料电池轿车不阅历热机进程，不受热力循环约束，能量转化功率极高，续航更长，而燃料电池发电进程的产品只要水，愈加环保，因而燃料电池轿车成为了未来轿车的首要开展趋势之一。
燃料电池的作业原理是阳极燃料氢气失掉电子成为质子，然后穿过质子交流膜抵达阴极与氧气、电子结合生成水，质子在电池内部传输与外电路的电子构成电流回路，因而质子传导功能关于燃料电池能量转化功率非常要害。现在商用全氟磺酸质子传导膜厚度至少在5微米以上，需要在100℃以下处于水合状况才干发挥作用，此刻对氢气的纯度要求较高。若开宣布100℃以上能够高效传导质子的膜资料，将有助于进步燃料电池功率，下降对氢气纯度的要求，简化水办理体系，到达削减相关本钱、削减污染的意图，对燃料电池轿车的商业开展具有重要意义。
“寻觅高效的高温质子传导膜资料并不简单。”张生介绍说，“这种资料不只要求薄，并且在答应质子高速通过的一起，还得阻挠氢气的浸透。由于氢气的浸透会发生副反响，下降电池输出电压，影响燃料电池的全体反响功率。一起它还需具有耐高温的特性。”
石墨烯等二维资料是抱负资料
张生首要与协作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纳米等于0.001微米），将该薄膜两边别离放置于不同浓度的盐酸溶液中，由于浓差梯度的存在，浓度高的一侧的离子会向浓度低的一侧分散，离子的运动形成了电流。
他们依据理论计算出具有六边网格结构的石墨烯和氮化硼等二维资料由于其特别的物理结构，只答应直径小于10皮米（1皮米等于千分之一纳米）的粒子通过。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，所以只要较小的质子才干通过该薄膜。由此证明，该试验中通过二维薄膜的电流全部是由质子传导发生的，而体积稍大的氯离子则肯定没奉献。张生表明：“通过这个试验证明，石墨烯与氮化硼二维资料只答应质子通过，能阻挠其他离子与分子，包含氢气的通过，满意了燃料电池质子传导膜资料的要求。”但他也坦言，石墨烯和氮化硼尽管比商业质子传导膜更薄（相差一万倍），但由于结构过于细密，导致质子传导阻力大于商业膜， 能量转化功率并没有进步，不适宜做商业化推行。
云母膜比石墨烯更具运用远景
在证明石墨烯等二维资料可当作质子传导资料的基础上，张生和协作者们通过两年的积极探索发现另一种二维资料云母比石墨烯在燃料电池范畴更具运用远景。
“云母是一种在地壳中储量极其丰厚且价格非常低价的矿藏，其主体由像海绵相同的铝硅酸盐层组成，钾离子则像水相同在其间的孔隙中很多存在。”张生介绍说，由于离子交流反响，钾离子能够很简单地与质子进行交流。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，因而质子能够很好地在钾离子地点的孔隙中进行传输。
研讨发现，离子交流处理后的云母膜，质子传导率得到极大进步，且运用温度能够从100℃延伸到500℃，极具运用远景。张生介绍说：“咱们发现离子交流反响后的云母膜质子传导率进步了100倍。一起云母膜热稳定性更高，且储量丰厚、价格低价。”研讨还发现在150℃的温度下，云母膜质子传导率超过了现在商业化要求的两倍，运用于燃料电池后，轿车的行进路程将会有很大进步。
现在张生正带领研讨团队制备大标准云母薄膜，使用其高效的质子传导性和优秀的耐热性，对现有燃料电池技能进行改进，推进燃料电池轿车的开展。除了燃料电池之外，张生还方案将上述质子传导膜资料用于太阳能光解水、海洋蓝色动力提取，以及二氧化碳电化学转化成甲酸、乙醇、乙烯等化工原料的很多清洁动力技能。
