天大制备燃料电池用新型云母膜

  与石墨烯膜相比质子传导性更好、热稳定性更高

  中化新网讯 11月16日,记者从天津大学了解到,该校化工学院张生教授与英国曼彻斯特大学诺贝尔物理奖得主安德烈·海姆教授等人合作,证实了石墨烯、氮化硼等二维材料中氢离子传输的选择性为100%,并发现云母可以用作燃料电池的高温质子交换膜。这两项研究成果有望推进氢燃料电池汽车的商业化发展。

  张生介绍说:“云母薄膜的质子传导率提高了100倍,这是令人鼓舞的。目前石墨烯被认为是一种有前景的质子传导材料,我们的研究则发现云母可能比石墨烯更有前景,因为它的质子传导性更好、热稳定性更高,且储量丰富价格低廉。”研究还发现,在150℃条件下,云母膜质子传导率超过了目前商业化要求的2倍,也就是说将其用于燃料电池后,汽车的行驶里程也将极大提升。

  据张生介绍,与目前的锂离子电池电动汽车相比,氢燃料电池汽车充电时间较短,只需要一两分钟即可加满燃料,且能量转换效率极高,续航更长。其核心组件燃料电池的工作原理是氢气失去电子成为氢离子,而后穿过质子交换膜在电池内部传输形成完整的电流回路。因此,质子传导膜的氢离子传导性能在很大程度上影响着燃料电池的能量转化效率。目前,商业化质子传导膜厚度至少在5微米以上,若能开发更薄的膜材料,将有助于质子传导性的提高,对燃料电池汽车具有重要的推动意义。

  该研究团队制备了微米级的单层氮化硼薄膜,并根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材料只允许直径小于10皮米的粒子通过。他们实验发现,通过氮化硼薄膜的电流全部是由氢离子传导产生的。“这不仅是我们理解质子和薄膜相互作用的一个重要进展,同时也对石墨烯等二维材料在高效膜分离领域的基础研究与应用开发具有重要意义。”张生表示。

  进一步的研究发现,石墨烯、氮化硼等虽具有只允许氢离子通过的性能,但其传输阻力较高,氢离子传导速度较慢,不宜进行商业化推广。为此,研究团队开发了具有高质子传导率的新型质子传导膜材料——云母膜。研究发现,处理后的云母薄膜质子传导率得到极大提高,且使用温度从100℃延伸到了500℃,极具应用前景。

  目前,研究团队正在制备大尺度云母膜,利用其高效的质子传导性和优良的耐热性,用于改进现有燃料电池技术,推动燃料电池汽车的发展和完善。此外,该膜材料还可用于液流电池、太阳能光解水、海洋蓝色能源提取,以及二氧化碳电化学转化成甲酸、乙醇、乙烯等清洁能源技术。

关键字:云母薄膜 石墨烯膜
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