中国经济导报 中国发展网  张华、记者王敏报道

近日，天津大学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，在世界顶级刊物《自然通讯》与《自然纳米》连续发表两篇研究论文《二维材料的绝佳质子选择性》和《云母薄片的高温质子传导性》，证实了石墨烯、氮化硼等二维材料中质子传输的选择性为100%（质子即氢离子）并发现云母可以用作燃料电池的高温质子交换膜。两项研究成果有望推进氢燃料电池汽车的商业化发展。

燃料电池汽车是一种新能源电动汽车，与目前常见的家用锂离子电池电动汽车相比，省去了漫长的充电时间，只需要一两分钟即可加满燃料。同时燃料电池汽车不经历热机过程，不受热力循环限制，能量转换效率极高，续航更长，因此燃料电池汽车成为了未来汽车的主要发展方向之一。燃料电池汽车的核心组件就是燃料电池，其工作原理是氢气失去电子成为质子，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，质子传导膜的质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。

张生与合作者制备了微米级的单层氮化硼薄膜，将该薄膜两侧分别放置不同浓度的盐酸（即HCl）溶液，由于不同浓度导致的浓差梯度，使浓度高的一侧的离子向浓度低的一侧扩散，离子的运动形成了电流。他们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由于其特殊的物理尺寸效应，只允许直径小于10皮米的粒子通过。盐酸由氢离子和氯离子，氢离子大小约为0.001皮米，氯离子大小约为181皮米，所以只有较小的氢离子才能通过该薄膜。因此，该实验中通过氮化硼薄膜的电流全部是由氢离子传导产生的，而体积稍大的氯离子则完全没有贡献。“这不仅是我们理解质子和原子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”。

虽然由于自身特殊的结构属性，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，氢离子的传导速度较慢，不适宜做商业化推广。为此，张生教授等人进一步开发了具有高质子传导率的新型质子传导膜材料—云母膜。云母是一种储量丰富且价格低廉的矿物，其主体由像海绵一样的铝硅酸盐层组成，钾离子则像水一样在其中的孔隙中大量存在。由于离子交换反应，钾离子可以很容易地与氢离子进行交换。因为钾离子大小约为100皮米，而氢离子大小约为0.001皮米，相对于原本钾离子所在的孔隙大小，氢离子的体积要小得多，因此氢离子可以很好地在这些孔隙中进行传输。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。张生教授说：“我们发现离子交换反应后的云母薄膜质子传导率提高了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℃的温度下，云母膜质子传导率超过了目前商业化工业化要求的两倍，也就是说用于燃料电池后，汽车的行驶里程也将极大提高。

目前张生等研究人员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，除了燃料电池汽车外，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、乙烯等化工原料的众多清洁能源技术。