美國科學家正在嘗試用不同聚合物設計新的質子交換膜
2014-05-10 18:24:35
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據中新網2010年5月4日訊 據美國物理學家組織網近日報道，美國科學家發現了一種方法，可以在較低的濕度下讓質子具有較好的導電率，從而有望大幅降低氫燃料電池的成本。
目前的氫燃料電池的工作原理是：首先，氫氣被電離為帶正電荷的質子和帶負電荷的電子，電子通過燃料電池的電路，而質子則通過質子交換膜。在電路的另一邊，質子、電子同氧氣結合生成水，這個化學反應產生了電能，因為其副產品是水，所以氫燃料電池非常環保。
目前在氫燃料電池中使用的質子交換膜均采用全氟化聚合物材料合成，該材料穩定性好、使用壽命長，但制造成本過高，售價昂貴。因此，為了獲得穩定而廉價的燃料電池，質子交換膜是一個突破點。目前，科學家有兩種方法：一是減少質子交換膜的用量，朝薄型電解質發展；二是研制新型價廉的質子交換膜。
另外，氫燃料電池的基本問題之一是，這些燃料電池喜歡在高溫低濕的環境下工作。然而，在這樣的環境下，很少有物質能夠有效地傳導質子。
美國馬薩諸塞大學安默斯特校區的桑卡·恩賽耶曼阿瓦是國家科學基金會下屬的“化學創新為未來加油”研究中心的負責人，他同該校的聚合體科學家賴安·海沃德、物理學家馬克·圖沃明恩合作，提出了一種新的質子交換膜設計理念，能夠滿足這種需要，其研究成果發表在*新一期的《自然·化學》雜志上。
恩賽耶曼阿瓦團隊已經證明，一個擁有納米大小的通道的物質能夠有效地運輸電荷，這些通道正如完美的導管，可以將質子從質子交換膜的一邊移送到另一邊，這一點對提高燃料電池的效率非常關鍵。他們的發現將有助于研究人員設計出高效穩定、耐用且對溫度要求不高、價格低廉的質子交換膜。
讓質子“跑”得更快
恩賽耶曼阿瓦表示，這是一個“相當令人興奮的進步”。他們主要將質子交換膜內的導電和非導電區域通過一個聚合物納米結構連接在一起，來獲得很好的效果。他進一步解釋說，有人可能認為，使用兩個電極之間100%的導電區域能夠*好地實現質子導電，但情況并非如此，我們認為，通過將導電和非導電的兩個相反的區域連接在一起，可以更好地改進質子交換膜導電性能。
該解決方案的靈感來自于自然。恩賽耶曼阿瓦他們發現，人體內某些天然的蛋白質在不需要水的情況下，能夠高速地在幾納米的范圍內運送質子群。因此，他們假設，或許某些形狀或者某些將導電和非導電的納米結構組合在一起形成的嵌段共聚物能夠更好地傳導質子。
恩賽耶曼阿瓦表示，這個非天然的方式的成本收益率也很高，他們已經證明，一個100%導電區域并不如一個由導電區域和非導電區域混合而成的“雜交”區域的導電效果好，后者的導電率可能是前者的1000倍，他的研究團隊正在嘗試用四套不同的聚合物設計新的質子交換膜。