中國科大吳恒安教授、王奉超特任副研究員與英國曼徹斯特大學(xué)安德烈·海姆教授課題組及荷蘭內(nèi)梅亨大學(xué)研究人員合作，在石墨烯類膜材料輸運(yùn)特性研究方面首次發(fā)現(xiàn)，石墨烯以及氮化硼等具有單原子層厚度的二維納米材料可以作為良好的“質(zhì)子傳導(dǎo)膜”。這項(xiàng)突破性研究，為人類認(rèn)知石墨烯及氮化硼的材料特性帶來全新發(fā)現(xiàn)，并有望為燃料電池和氫相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域帶來革命性進(jìn)步。

燃料電池是將燃料具有的化學(xué)能直接變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置。與其他電池相比，具有能量轉(zhuǎn)化效率高、無須耗費(fèi)充能時間、零排放無環(huán)境污染等諸多優(yōu)點(diǎn)。然而，燃料電池中的核心部件“質(zhì)子傳導(dǎo)膜”存在燃料滲透等難題，極大限制了燃料電池的大規(guī)模應(yīng)用。

吳恒安介紹，石墨烯是一種由碳原子按照六角蜂巢晶格排列而成的單層網(wǎng)狀二維材料，二維氮化硼納米材料也具有跟石墨烯相似的六角網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。中德荷科學(xué)家的研究表明，質(zhì)子可以較為容易地“穿越”石墨烯和氮化硼等二維材料，而其他物質(zhì)則很難穿越，從而解決了燃料滲透的問題。而且，升高溫度或加入催化劑可顯著促進(jìn)質(zhì)子穿越的過程。

在該項(xiàng)工作中，中國科學(xué)家作出的核心貢獻(xiàn)，是采用計(jì)算機(jī)模擬了二維納米材料的微觀孔隙結(jié)構(gòu)，解釋了質(zhì)子穿透的機(jī)理，并計(jì)算得到了質(zhì)子通過石墨烯類膜材料所需要的最小能量，進(jìn)一步對該過程給出了定量化的描述。

國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》11月26日在線發(fā)表了這一研究成果。隨后，“自然”網(wǎng)站就以首頁頭條形式第一時間進(jìn)行了報(bào)道，同期的“新聞視點(diǎn)”欄目也專題進(jìn)行了重點(diǎn)評論和展望。麻省理工學(xué)院的Karnik教授在評論中指出，質(zhì)子傳導(dǎo)膜是質(zhì)子交換膜燃料電池的核心所在，本項(xiàng)研究取得的突破性進(jìn)展在理論上已經(jīng)達(dá)到美國能源部設(shè)定的2020年質(zhì)子交換膜輸運(yùn)性能目標(biāo)。

王奉超在展望該研究應(yīng)用前景時指出，如果采用石墨烯和氮化硼等單原子層二維材料作為“質(zhì)子傳導(dǎo)膜”，可使現(xiàn)代燃料電池更高效、更安全、更環(huán)保、更輕薄。且燃料電池技術(shù)的發(fā)展前景無限廣闊，從智能手機(jī)電源到航空航天、國防領(lǐng)域，都會有廣泛應(yīng)用。

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