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【新材料】仿仙人掌的新材料薄膜,可显著提高燃料电池效率4倍
柏岩 2016-05-04
导语

燃料电池需通过把氢气和氧气等气体混合产生能量。但燃料电池的质子交换膜必须保持湿润才能正常工作。澳大利亚研究人员研制出一种模仿仙人掌气孔的新型材料薄膜,可显著提高燃料电池性能,为燃料电池车产业带来革新。

澳大利亚联邦科学与工业研究组织4月28日发布新闻公报宣布,该机构与韩国汉阳大学合作模仿仙人掌气孔,成功制备出高温低湿条件下具有高离子电导率的自保湿碳氢聚合物离子交换膜,可显著提高燃料电池性能,为燃料电池车产业带来革新。该研究论文“纳米级裂缝可调节的自增湿膜”(Nanocrack-regulated self-humidifying membranes已发表在新一期英国《自然》杂志上。

聚合物膜在离子导电、水过滤、反向电渗析发电、能量储存与转换以及液流电池领域具有重要的应用。由于聚合物电解质膜的含水量直接影响着膜内离子的传输行为,大多数应用都要求膜在相对干燥的条件下仍具有一定的保湿能力。因此膜内水含量的可调节性在质子交换膜燃料电池和反向电渗析应用中尤其重要。研究者往往通过外部增湿系统来保证高温条件下膜的保水能力,但是整体上增加了系统的复杂性和成本,也成为多年来制约工业界质子交换膜燃料电池规模化应用的技术瓶颈之一。

为了改善高温低湿条件下由于膜内水分减少导致电导率下降的世界性科学难题,近几十年来,科学家们试图从调整聚合物高分子的化学结构、微观形貌甚至大分子的链段组成来实现膜内亲疏水特性的完美结合,但最终并没有从根本上解决高温下膜保水能力大幅下降的问题。

澳大利亚和韩国的研究人员从生长于沙漠中的仙人掌身上得到了灵感,仙人掌表面的气孔在夜晚气候潮湿凉爽时打开,在白天气候炎热干燥时关闭,以保持自身水分。研究者们开创性地提出了一种无需外增湿系统的智能自调节保水膜表面改性方法,该方法可应用于任何离子交换膜的表面改性。通过在膜表面喷涂具有疏水性的纳米级涂层,利用膜本身在吸水后的膨胀和失水后的收缩特性实现高保水能力。高湿度时,膜膨胀将疏水涂层撑开,形成较宽的纳米级裂缝,从而保证水和离子的传输通道畅通,此时涂层为开放涂层,水和离子可同时在膜内部及纳米裂缝中间自由传输;低湿度时,膜收缩将疏水涂层裂缝闭合,起到将膜内部的水封闭的作用,此时涂层为封闭涂层,纳米级裂缝充当了阻止膜内部的水分进一步蒸发流失的“纳米级阀门”角色。实验证明,这种先进的设计显著提高了离子交换膜在高温低湿环境中的离子传输能力。

研究人员称,这意味着燃料电池可以摆脱笨重的外部加湿设备,同时这种薄膜还将燃料电池在燥热环境中的效率提升了近四倍。

这种巧妙的膜表面改性设计理念得到了国际著名学者的广泛关注和好评。美国得克萨斯大学奥斯汀分校德克萨斯材料研究所、能源和环境资源中心的著名学者约万凯莫斯(Jovan Kamcev音译)和本尼弗里曼(Benny D. Freeman音译)在《自然》同期“研究新闻评论”(“Research News & Views”)中对于迈克尔等人的文章进行了点评,指出该“有裂缝的涂层防止膜在低湿干燥条件下的失水——是需要保湿膜的燃料电池装置的福音”。同时强调:“该膜在这种低湿度时控制离子交换膜脱水,突破了限制膜性能的科学瓶颈,是一项强有力的技术方法”。并指出:“此项技术将为应用在各种领域的高性能膜材料的进步起到重要的贡献”。

文章链接:

Chi Hoon Park, et al. "Nanocrack-regulated self-humidifying membranes," Nature 532, 480–483 (28 April 2016) doi:10.1038/nature17634

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  • 燃料电池
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文章评论(1)
柏岩[北京航空航天大学]

大自然已经备好了答案

812天前 | 回复
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作者 柏岩

硕士生

北京航空航天大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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