石墨烯类膜材料新进展 有望为燃料电池带来革命性进展
2014-11-29 16:51:15    点击:

近日,我校工程科学学院近代力学系中国科学院材料力学行为和设计重点实验室的吴恒安教授和王奉超特任副研究员,与诺贝尔物理奖得主、英国曼彻斯特大学安德烈·海姆教授课题组及荷兰内梅亨大学研究人员合作,在石墨烯类膜材料质子输运特性研究方面取得了突破性进展,发现石墨烯以及氮化硼等具有单原子层厚度的二维纳米材料可作为良好的质子传导膜。该成果以“Proton transport through one-atom-thick crystals”为题于11月26日在线发表在国际著名期刊Nature上,我校吴恒安教授是该文共同通讯作者。

 

石墨烯是一种由碳原子按照六角蜂巢晶格排列而成的单层网状二维材料,二维氮化硼纳米材料也具有跟石墨烯相似的六角网状结构。传统观点认为,任何气体分子或流体分子,哪怕是最小的氢原子,都无法穿透不含缺陷的完美石墨烯片层。最新研究表明,质子可以较为容易地穿越石墨烯和氮化硼等二维材料。而且,升高温度和加入催化剂可显著促进这一过程。吴恒安教授课题组在该项工作中做出的核心贡献是采用第一性原理计算模拟了二维纳米材料的电子云密度分布,解释了质子穿透的微观机理,并通过计算机模拟分析了质子通过石墨烯和氮化硼二维材料的能垒,进一步对该过程给出了定量化的描述。

 

该发现有望为燃料电池和氢相关技术领域带来革命性的变化。燃料电池是将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置,是一种能源利用效率高而又不污染环境的理想发电技术。然而,目前采用的质子传导膜普遍存在燃料渗透的问题,成为限制燃料电池技术进一步推广应用的瓶颈。如采用石墨烯和氮化硼等单原子层二维材料作为质子传导膜,可使得现代燃料电池变得更轻薄、更高效。该研究成果不仅为人类认知石墨烯及氮化硼的材料特性带来了全新发现,而且将二维纳米材料和氢相关技术这两大热点领域紧密地联系了起来。

 

Nature网站以首页头条形式第一时间对该成果进行了报道。同期Nature的新闻视点栏目(NEWS &VIEWS)以“Materials science: Breakthrough for protons”为题对该成果进行了重点评论和展望。麻省理工学院的Karnik教授在评论中指出,质子传导膜是质子交换膜燃料电池的核心所在,本项研究取得的突破性进展在理论上已经达到美国能源部设定的2020年质子交换膜输运性能目标。

 

吴恒安教授课题组同Geim教授课题组保持着长期稳定的合作关系。此前双方的两篇合作文章分别于2012年和2014年发表在国际著名期刊Science上(Science, 335 (6067): 442-444, 2012Science, 343 (6172): 752-754, 2014)。 

 

质子穿越氮化硼概念图 (王国燕、周荣庭设计) 

 

(中国科学院材料力学行为和设计重点实验室、工程科学学院、科研部)

 

附论文及报道链接:

http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature14015.html

http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature14074.html