澳大利亞莫納什大學(xué)的工程師團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種新型超薄膜，首次實(shí)現(xiàn)在無水環(huán)境中持續(xù)傳輸質(zhì)子，使燃料電池能在更高溫度下高效穩(wěn)定運(yùn)行，從而突破了制約燃料電池性能提升的一個(gè)關(guān)鍵瓶頸。相關(guān)研究成果發(fā)表于最新一期《科學(xué)進(jìn)展》雜志。研究人員表示，這一進(jìn)展有望推動(dòng)燃料電池在交通運(yùn)輸、重工業(yè)以及未來清潔能源體系中的更廣泛應(yīng)用。

燃料電池能夠?qū)⒒瘜W(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，其主要副產(chǎn)物是水和熱量。目前，它已被用于氫燃料汽車、醫(yī)院與數(shù)據(jù)中心的備用電源，以及航天器等對(duì)輕量化與可靠性要求極高的場(chǎng)景。然而，現(xiàn)有燃料電池體系大多依賴水基質(zhì)子傳導(dǎo)膜，在較高溫度下，水容易揮發(fā)或失效，從而導(dǎo)致傳導(dǎo)效率下降。

針對(duì)這一問題，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種新型復(fù)合膜設(shè)計(jì)思路。他們將原子級(jí)超薄納米片與納米限域磷酸相結(jié)合，構(gòu)建出多通道質(zhì)子傳輸結(jié)構(gòu)。其中，石墨烯與氮化硼構(gòu)成的納米片提供了連續(xù)而穩(wěn)定的傳輸骨架，而被限制在微納空間中的磷酸則充當(dāng)高效“質(zhì)子中轉(zhuǎn)介質(zhì)”，使質(zhì)子能夠通過類似“接力跳躍”的方式在材料內(nèi)部快速移動(dòng)，從而在無水條件下仍保持高效傳導(dǎo)能力。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該材料在約250℃的高溫環(huán)境下仍可快速傳輸質(zhì)子，并在氫燃料電池測(cè)試中展現(xiàn)出極高的功率輸出性能。同時(shí)，在以高濃度甲醇作為燃料的條件下，該膜材料同樣表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和持續(xù)運(yùn)行能力，說明其在干燥、高溫等嚴(yán)苛條件下仍能保持穩(wěn)定與高效。

除了燃料電池外，這種設(shè)計(jì)思路還可拓展至多種電化學(xué)技術(shù)，包括水分解、二氧化碳還原以及氨合成等領(lǐng)域。從更廣泛意義上看，它為設(shè)計(jì)下一代質(zhì)子傳導(dǎo)材料提供了一種新平臺(tái)，即通過將二維納米片與納米限域質(zhì)子載體相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)性能突破。