直接甲醇燃料電池被認(rèn)為是最有前途的清潔高效能源電池之一。其中，質(zhì)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(xué)教授趙天壽課題組發(fā)現(xiàn)新型二維碳納米材料石墨炔是較為理想的質(zhì)子交換膜材料，具備高質(zhì)子傳導(dǎo)性和高選擇性，能有效阻隔甲醇燃料的滲透。質(zhì)子交換膜的作用是阻隔陰陽(yáng)兩極，傳導(dǎo)質(zhì)子。“質(zhì)子交換膜的性能是現(xiàn)在面臨的一個(gè)‘卡脖子’問題。”趙天壽介紹，目前燃料電池用質(zhì)子交換膜主要采用美國(guó)杜邦公司生產(chǎn)的Nafion膜，其最大問題是甲醇滲透率高。位于陽(yáng)極的甲醇會(huì)通過(guò)質(zhì)子交換膜向陰極滲透，一方面造成了甲醇燃料的浪費(fèi)，降低了能源利用效率;另一方面甲醇滲透到陰極后發(fā)生負(fù)反應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致催化劑中毒，降低電池性能，縮短電池壽命。

石墨炔具備的孔徑結(jié)構(gòu)均一、孔內(nèi)尺寸可調(diào)控等特點(diǎn)，是研究質(zhì)子選擇性傳導(dǎo)行為的理想二維材料。課題組研究人員全面探究了二維碳納米材料石墨炔作為質(zhì)子交換膜材料的可行性，及其質(zhì)子傳導(dǎo)率和阻醇率。他們通過(guò)原子尺度的模擬，對(duì)石墨炔界面處的質(zhì)子及甲醇分子的穿透行為進(jìn)行分析，得到質(zhì)子傳導(dǎo)率和甲醇滲透率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石墨炔孔徑大于1.2納米時(shí)，石墨炔和水形成的是一個(gè)水相—真空相交錯(cuò)的界面，其中水相可使質(zhì)子快速傳導(dǎo)，而真空相可有效阻擋甲醇分子的穿透。這一發(fā)現(xiàn)為零滲透質(zhì)子選擇膜的設(shè)計(jì)提供了新的可能。

“除了石墨炔外，未來(lái)我們還將繼續(xù)探究是否存在其他質(zhì)子交換膜材料，同時(shí)開展工業(yè)應(yīng)用可行性研究，以期解決實(shí)際生產(chǎn)中的問題。”趙天壽說(shuō)。