11月16日，記者從天津大學(xué)了解到，該校化工學(xué)院張生教授與英國曼徹斯特大學(xué)諾貝爾物理獎得主安德烈海姆教授等人合作，證實了石墨烯、氮化硼等二維材料中氫離子傳輸?shù)倪x擇性為100%，并發(fā)現(xiàn)云母可以用作燃料電池的高溫質(zhì)子交換膜。這兩項研究成果有望推進氫燃料電池汽車的商業(yè)化發(fā)展。

張生介紹說：云母薄膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率提高了100倍，這是令人鼓舞的。目前石墨烯被認為是一種有前景的質(zhì)子傳導(dǎo)材料，我們的研究則發(fā)現(xiàn)云母可能比石墨烯更有前景，因為它的質(zhì)子傳導(dǎo)性更好、熱穩(wěn)定性更高，且儲量豐富價格低廉。研究還發(fā)現(xiàn)，在150℃條件下，云母膜質(zhì)子傳導(dǎo)率超過了目前商業(yè)化要求的2倍，也就是說將其用于燃料電池后，汽車的行駛里程也將極大提升。

據(jù)張生介紹，與目前的鋰離子電池電動汽車相比，氫燃料電池汽車充電時間較短，只需要一兩分鐘即可加滿燃料，且能量轉(zhuǎn)換效率極高，續(xù)航更長。其核心組件燃料電池的工作原理是氫氣失去電子成為氫離子，而后穿過質(zhì)子交換膜在電池內(nèi)部傳輸形成完整的電流回路。因此，質(zhì)子傳導(dǎo)膜的氫離子傳導(dǎo)性能在很大程度上影響著燃料電池的能量轉(zhuǎn)化效率。目前，商業(yè)化質(zhì)子傳導(dǎo)膜厚度至少在5微米以上，若能開發(fā)更薄的膜材料，將有助于質(zhì)子傳導(dǎo)性的提高，對燃料電池汽車具有重要的推動意義。

該研究團隊制備了微米級的單層氮化硼薄膜，并根據(jù)理論計算出具有六邊網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的石墨烯和氮化硼等二維材料只允許直徑小于10皮米的粒子通過。他們實驗發(fā)現(xiàn)，通過氮化硼薄膜的電流全部是由氫離子傳導(dǎo)產(chǎn)生的。這不僅是我們理解質(zhì)子和薄膜相互作用的一個重要進展，同時也對石墨烯等二維材料在高效膜分離領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用開發(fā)具有重要意義。張生表示。

進一步的研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯、氮化硼等雖具有只允許氫離子通過的性能，但其傳輸阻力較高，氫離子傳導(dǎo)速度較慢，不宜進行商業(yè)化推廣。為此，研究團隊開發(fā)了具有高質(zhì)子傳導(dǎo)率的新型質(zhì)子傳導(dǎo)膜材料云母膜。研究發(fā)現(xiàn)，處理后的云母薄膜質(zhì)子傳導(dǎo)率得到極大提高，且使用溫度從100℃延伸到了500℃，極具應(yīng)用前景。

目前，研究團隊正在制備大尺度云母膜，利用其高效的質(zhì)子傳導(dǎo)性和優(yōu)良的耐熱性，用于改進現(xiàn)有燃料電池技術(shù)，推動燃料電池汽車的發(fā)展和完善。此外，該膜材料還可用于液流電池、太陽能光解水、海洋藍色能源提取，以及二氧化碳電化學(xué)轉(zhuǎn)化成甲酸、乙醇、乙烯等清潔能源技術(shù)。（作者：陳菲張華）