美國科學(xué)家正在嘗試用不同聚合物設計新的質(zhì)子交換膜
2014-05-10 18:24:35
admin
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據中新網(wǎng)2010年5月4日訊 據美國物理學(xué)家組織網(wǎng)近日報道，美國科學(xué)家發(fā)現了一種方法，可以在較低的濕度下讓質(zhì)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(zhì)子和帶負電荷的電子，電子通過(guò)燃料電池的電路，而質(zhì)子則通過(guò)質(zhì)子交換膜。在電路的另一邊，質(zhì)子、電子同氧氣結合生成水，這個(gè)化學(xué)反應產(chǎn)生了電能，因為其副產(chǎn)品是水，所以氫燃料電池非常環(huán)保。
目前在氫燃料電池中使用的質(zhì)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(cháng)，但制造成本過(guò)高，售價(jià)昂貴。因此，為了獲得穩定而廉價(jià)的燃料電池，質(zhì)子交換膜是一個(gè)突破點(diǎn)。目前，科學(xué)家有兩種方法：一是減少質(zhì)子交換膜的用量，朝薄型電解質(zhì)發(fā)展；二是研制新型價(jià)廉的質(zhì)子交換膜。
另外，氫燃料電池的基本問(wèn)題之一是，這些燃料電池喜歡在高溫低濕的環(huán)境下工作。然而，在這樣的環(huán)境下，很少有物質(zhì)能夠有效地傳導質(zhì)子。
美國馬薩諸塞大學(xué)安默斯特校區的?？āざ髻愐⑼呤菄铱茖W(xué)基金會(huì )下屬的“化學(xué)創(chuàng )新為未來(lái)加油”研究中心的負責人，他同該校的聚合體科學(xué)家賴(lài)安·海沃德、物理學(xué)家馬克·圖沃明恩合作，提出了一種新的質(zhì)子交換膜設計理念，能夠滿(mǎn)足這種需要，其研究成果發(fā)表在*新一期的《自然·化學(xué)》雜志上。
恩賽耶曼阿瓦團隊已經(jīng)證明，一個(gè)擁有納米大小的通道的物質(zhì)能夠有效地運輸電荷，這些通道正如完美的導管，可以將質(zhì)子從質(zhì)子交換膜的一邊移送到另一邊，這一點(diǎn)對提高燃料電池的效率非常關(guān)鍵。他們的發(fā)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(jià)格低廉的質(zhì)子交換膜。
讓質(zhì)子“跑”得更快
恩賽耶曼阿瓦表示，這是一個(gè)“相當令人興奮的進(jìn)步”。他們主要將質(zhì)子交換膜內的導電和非導電區域通過(guò)一個(gè)聚合物納米結構連接在一起，來(lái)獲得很好的效果。他進(jìn)一步解釋說(shuō)，有人可能認為，使用兩個(gè)電極之間100%的導電區域能夠*好地實(shí)現質(zhì)子導電，但情況并非如此，我們認為，通過(guò)將導電和非導電的兩個(gè)相反的區域連接在一起，可以更好地改進(jìn)質(zhì)子交換膜導電性能。
該解決方案的靈感來(lái)自于自然。恩賽耶曼阿瓦他們發(fā)現，人體內某些天然的蛋白質(zhì)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(zhì)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(zhì)子。
恩賽耶曼阿瓦表示，這個(gè)非天然的方式的成本收益率也很高，他們已經(jīng)證明，一個(gè)100%導電區域并不如一個(gè)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(zhì)子交換膜。