石墨烯类膜材料质子输运概念图 (王国燕、周荣庭设计)

 

本报合肥11月30日电 记者李陈续、通讯员刘爱华在此间获悉，中国科大吴恒安教授、王奉超特任副研究员与英国曼彻斯特大学安德烈·海姆教授课题组及荷兰内梅亨大学研究人员合作，在石墨烯类膜材料输运特性研究方面首次发现，石墨烯以及氮化硼等具有单原子层厚度的二维纳米材料可以作为良好的“质子传导膜”。这项突破性研究，为人类认知石墨烯及氮化硼的材料特性带来全新发现，并有望为燃料电池和氢相关技术领域带来革命性进步。

 

燃料电池是将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置。与其他电池相比，具有能量转化效率高、无须耗费充能时间、零排放无环境污染等诸多优点。然而，燃料电池中的核心部件“质子传导膜”存在燃料渗透等难题，极大限制了燃料电池的大规模应用。

 

吴恒安介绍，石墨烯是一种由碳原子按照六角蜂巢晶格排列而成的单层网状二维材料，二维氮化硼纳米材料也具有跟石墨烯相似的六角网状结构。中德荷科学家的研究表明，质子可以较为容易地“穿越”石墨烯和氮化硼等二维材料，而其他物质则很难穿越，从而解决了燃料渗透的问题。而且，升高温度或加入催化剂可显著促进质子穿越的过程。

 

在该项工作中，中国科学家作出的核心贡献，是采用计算机模拟了二维纳米材料的微观孔隙结构，解释了质子穿透的机理，并计算得到了质子通过石墨烯类膜材料所需要的最小能量，进一步对该过程给出了定量化的描述。

 

国际顶尖学术期刊《自然》11月26日在线发表了这一研究成果。随后，“自然”网站就以首页头条形式第一时间进行了报道，同期的“新闻视点”栏目也专题进行了重点评论和展望。麻省理工学院的Karnik教授在评论中指出，质子传导膜是质子交换膜燃料电池的核心所在，本项研究取得的突破性进展在理论上已经达到美国能源部设定的2020年质子交换膜输运性能目标。

 

王奉超在展望该研究应用前景时指出，如果采用石墨烯和氮化硼等单原子层二维材料作为“质子传导膜”，可使现代燃料电池更高效、更安全、更环保、更轻薄。且燃料电池技术的发展前景无限广阔，从智能手机电源到航空航天、国防领域，都会有广泛应用。

 

光明日报2014-12-01　本报记者李陈续、通讯员刘爱华 《 光明日报 》（ 2014年12月01日   06 版）