美国科学家正在尝试用不同聚合物设计新的质子交换膜
2014-05-10 18:24:35
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据中新网2010年5月4日讯 据美国物理学家组织网近日报道，美国科学家发现了一种方法，可以在较低的湿度下让质子具有较好的导电率，从而有望大幅降低氢燃料电池的成本。
目前的氢燃料电池的工作原理是：首先，氢气被电离为带正电荷的质子和带负电荷的电子，电子通过燃料电池的电路，而质子则通过质子交换膜。在电路的另一边，质子、电子同氧气结合生成水，这个化学反应产生了电能，因为其副产品是水，所以氢燃料电池非常环保。
目前在氢燃料电池中使用的质子交换膜均采用全氟化聚合物材料合成，该材料稳定性好、使用寿命长，但制造成本过高，售价昂贵。因此，为了获得稳定而廉价的燃料电池，质子交换膜是一个突破点。目前，科学家有两种方法：一是减少质子交换膜的用量，朝薄型电解质发展；二是研制新型价廉的质子交换膜。
另外，氢燃料电池的基本问题之一是，这些燃料电池喜欢在高温低湿的环境下工作。然而，在这样的环境下，很少有物质能够有效地传导质子。
美国马萨诸塞大学安默斯特校区的桑卡·恩赛耶曼阿瓦是国家科学基金会下属的“化学创新为未来加油”研究中心的负责人，他同该校的聚合体科学家赖安·海沃德、物理学家马克·图沃明恩合作，提出了一种新的质子交换膜设计理念，能够满足这种需要，其研究成果发表在*新一期的《自然·化学》杂志上。
恩赛耶曼阿瓦团队已经证明，一个拥有纳米大小的通道的物质能够有效地运输电荷，这些通道正如完美的导管，可以将质子从质子交换膜的一边移送到另一边，这一点对提高燃料电池的效率非常关键。他们的发现将有助于研究人员设计出高效稳定、耐用且对温度要求不高、价格低廉的质子交换膜。
让质子“跑”得更快
恩赛耶曼阿瓦表示，这是一个“相当令人兴奋的进步”。他们主要将质子交换膜内的导电和非导电区域通过一个聚合物纳米结构连接在一起，来获得很好的效果。他进一步解释说，有人可能认为，使用两个电极之间100%的导电区域能够*好地实现质子导电，但情况并非如此，我们认为，通过将导电和非导电的两个相反的区域连接在一起，可以更好地改进质子交换膜导电性能。
该解决方案的灵感来自于自然。恩赛耶曼阿瓦他们发现，人体内某些天然的蛋白质在不需要水的情况下，能够高速地在几纳米的范围内运送质子群。因此，他们假设，或许某些形状或者某些将导电和非导电的纳米结构组合在一起形成的嵌段共聚物能够更好地传导质子。
恩赛耶曼阿瓦表示，这个非天然的方式的成本收益率也很高，他们已经证明，一个100%导电区域并不如一个由导电区域和非导电区域混合而成的“杂交”区域的导电效果好，后者的导电率可能是前者的1000倍，他的研究团队正在尝试用四套不同的聚合物设计新的质子交换膜。