幾乎所有的制造商開發(fā)的重量級汽車中的氫燃料電池汽車都是零排放的，因為它們的排氣中只有水。但它們的可靠性受到限制，因為燃料電池依賴于一層薄膜，當(dāng)存在足夠的水時，這種薄膜才能起作用，使車輛的操作受到限制。

匹茲堡大學(xué)斯旺森工程學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)，石墨烯（二氧化碳和氫氣的二維聚合物）具有一種不尋常的特性，它可以形成一種無水的“管道”，也就是說不需要水就可運(yùn)輸質(zhì)子。無形之中引領(lǐng)了開發(fā)氫燃料電池的潮流，這種燃料可用于車輛和其他能源系統(tǒng)。

這個項目的主要研究人員是卡爾·約翰遜，斯旺森學(xué)院化學(xué)與石油工程系的威廉·開普勒·懷特福德教授和研究生助理AbhishekBagusetty。他們的工作是簡便質(zhì)子在無水環(huán)境下的運(yùn)輸，為制備羥基官能化的石墨烯奠定基礎(chǔ)。本周，他們在《PhysicalReviewLetters》雜志上，對該技術(shù)做了闡述。該研究小組表示，如果能夠與計算建模技術(shù)與大學(xué)研究計算中心的高性能計算基礎(chǔ)設(shè)施相結(jié)合，他們將有希望設(shè)計出這種潛在的突破性材料。

氫燃料電池類似于可以用氫氣和氧氣進(jìn)行充電的電池。利用電解水的逆反應(yīng)，將氫氣供給燃料電池的陽極，氫通過陽極向外擴(kuò)散和電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后放出大量游離的質(zhì)子與電子，而氧氣進(jìn)入陰極，最終與質(zhì)子和電子化學(xué)結(jié)合形成水，釋放大量的能量。

質(zhì)子傳導(dǎo)膜（PEM）是質(zhì)子交換膜燃料電池的核心所在，在燃料電池內(nèi)部，質(zhì)子交換膜為質(zhì)子的遷移和輸送提供通道。此膜對溫度和含水量要求高，當(dāng)溫度過高或濕度下降，這會消耗水膜并阻止質(zhì)子遷移穿過膜。約翰遜博士解釋說，針對這個原因，對于開發(fā)能夠以非常低的水位，甚至在完全不存在水（無水）的情況下可以運(yùn)行的新型膜材料，具有很高的商業(yè)前景。

約翰遜博士說：“迄今最常用的氫燃料電池中的PEM，大多是采用由一種名為Nafion的聚合物制成，只有當(dāng)它具有適量的水時，才能進(jìn)行質(zhì)子交換。但是水‘泛濫’的話，反會使質(zhì)子交換膜變干，質(zhì)子停止交換，電池也會停止工作。就好比你往發(fā)動機(jī)里加多了汽油一樣。”

約翰遜博士和他的團(tuán)隊專注于石墨烯的研究，由于官能化羥基存在，電池能夠形成一個更穩(wěn)定的絕緣膜來傳導(dǎo)質(zhì)子。約翰遜博士說：“我們的計算機(jī)模型表明，由于石墨烯獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，使得它非常適合在無水條件下，通過電路快速地實現(xiàn)質(zhì)子跨膜和電子傳遞。這表明將氫燃料電池車做為未來最佳的替代車輛，已指日可待。”