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彩票助赢官网:天津大學最新研究助力清潔能源技術

2019-11-15 20:51 中國發展網
燃料電池 清潔能源

内蒙古11选五走势图跨度走势 www.bzica.com 摘要:燃料電池汽車是一種新能源電動汽車,與目前常見的家用鋰離子電池電動汽車相比,省去了漫長的充電時間,只需要一兩分鐘即可加滿燃料。

中國經濟導報 中國發展網  張華、記者王敏報道

近日,天津大學化工學院張生教授與英國曼徹斯特大學諾貝爾物理獎得主安德烈·海姆教授等人合作,在世界頂級刊物《自然通訊》與《自然納米》連續發表兩篇研究論文《二維材料的絕佳質子選擇性》和《云母薄片的高溫質子傳導性》,證實了石墨烯、氮化硼等二維材料中質子傳輸的選擇性為100%(質子即氫離子)并發現云母可以用作燃料電池的高溫質子交換膜。兩項研究成果有望推進氫燃料電池汽車的商業化發展。

燃料電池汽車是一種新能源電動汽車,與目前常見的家用鋰離子電池電動汽車相比,省去了漫長的充電時間,只需要一兩分鐘即可加滿燃料。同時燃料電池汽車不經歷熱機過程,不受熱力循環限制,能量轉換效率極高,續航更長,因此燃料電池汽車成為了未來汽車的主要發展方向之一。燃料電池汽車的核心組件就是燃料電池,其工作原理是氫氣失去電子成為質子,而后穿過質子交換膜在電池內部傳輸形成完整的電流回路。因此,質子傳導膜的質子傳導性能在很大程度上影響著燃料電池的能量轉化效率。目前商業化質子傳導膜厚度至少在5微米以上,若能開發更薄的膜材料,將有助于質子傳導性的提高,對燃料電池汽車具有重要的推動意義。

張生與合作者制備了微米級的單層氮化硼薄膜,將該薄膜兩側分別放置不同濃度的鹽酸(即HCl)溶液,由于不同濃度導致的濃差梯度,使濃度高的一側的離子向濃度低的一側擴散,離子的運動形成了電流。他們根據理論計算出具有六邊網格結構的石墨烯和氮化硼等二維材料由于其特殊的物理尺寸效應,只允許直徑小于10皮米的粒子通過。鹽酸由氫離子和氯離子,氫離子大小約為0.001皮米,氯離子大小約為181皮米,所以只有較小的氫離子才能通過該薄膜。因此,該實驗中通過氮化硼薄膜的電流全部是由氫離子傳導產生的,而體積稍大的氯離子則完全沒有貢獻。“這不僅是我們理解質子和原子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域的基礎研究與應用開發具有重要意義”。

雖然由于自身特殊的結構屬性,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,氫離子的傳導速度較慢,不適宜做商業化推廣。為此,張生教授等人進一步開發了具有高質子傳導率的新型質子傳導膜材料—云母膜。云母是一種儲量豐富且價格低廉的礦物,其主體由像海綿一樣的鋁硅酸鹽層組成,鉀離子則像水一樣在其中的孔隙中大量存在。由于離子交換反應,鉀離子可以很容易地與氫離子進行交換。因為鉀離子大小約為100皮米,而氫離子大小約為0.001皮米,相對于原本鉀離子所在的孔隙大小,氫離子的體積要小得多,因此氫離子可以很好地在這些孔隙中進行傳輸。研究發現,處理后的云母薄膜,質子傳導率得到極大提高,且使用溫度從100℃延伸到了500℃,極具應用前景。張生教授說:“我們發現離子交換反應后的云母薄膜質子傳導率提高了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子傳導材料,我們的研究則發現云母可能比石墨烯更有前景,因為它質子傳導性更好、熱穩定性更高,且儲量豐富價格低廉。”研究還發現在150℃的溫度下,云母膜質子傳導率超過了目前商業化工業化要求的兩倍,也就是說用于燃料電池后,汽車的行駛里程也將極大提高。

目前張生等研究人員正在制備大尺度云母膜,利用其高效的質子傳導性和優良的耐熱性,用于改進現有燃料電池技術,推動燃料電池汽車的發展和完善。此外,除了燃料電池汽車外,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轉化成甲酸、乙醇、乙烯等化工原料的眾多清潔能源技術。

責任編輯:劉維

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