可提升电池效率的石墨烯氢燃料电池膜

几乎所有的制造商开发的重量级汽车中的氢燃料电池汽车都是零排放的，因为它们的排气中只有水。但它们的可靠性受到限制，因为燃料电池依赖于一层薄膜，当存在足够的水时，这种薄膜才能起作用，使车辆的操作受到限制。

匹兹堡大学斯旺森工程学院的研究人员发现，石墨烯（二氧化碳和氢气的二维聚合物）具有一种不寻常的特性，它可以形成一种无水的“管道”，也就是说不需要水就可运输质子。无形之中引领了开发氢燃料电池的潮流，这种燃料可用于车辆和其他能源系统。

这个项目的主要研究人员是卡尔·约翰逊，斯旺森学院化学与石油工程系的威廉·开普勒·怀特福德教授和研究生助理AbhishekBagusetty。他们的工作是简便质子在无水环境下的运输，为制备羟基官能化的石墨烯奠定基础。本周，他们在《PhysicalReviewLetters》杂志上，对该技术做了阐述。该研究小组表示，如果能够与计算建模技术与大学研究计算中心的高性能计算基础设施相结合，他们将有希望设计出这种潜在的突破性材料。

氢燃料电池类似于可以用氢气和氧气进行充电的电池。利用电解水的逆反应，将氢气供给燃料电池的阳极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后放出大量游离的质子与电子，而氧气进入阴极，最终与质子和电子化学结合形成水，释放大量的能量。

质子传导膜（PEM）是质子交换膜燃料电池的核心所在，在燃料电池内部，质子交换膜为质子的迁移和输送提供通道。此膜对温度和含水量要求高，当温度过高或湿度下降，这会消耗水膜并阻止质子迁移穿过膜。约翰逊博士解释说，针对这个原因，对于开发能够以非常低的水位，甚至在完全不存在水（无水）的情况下可以运行的新型膜材料，具有很高的商业前景。

约翰逊博士说：“迄今最常用的氢燃料电池中的PEM，大多是采用由一种名为Nafion的聚合物制成，只有当它具有适量的水时，才能进行质子交换。但是水‘泛滥’的话，反会使质子交换膜变干，质子停止交换，电池也会停止工作。就好比你往发动机里加多了汽油一样。”

约翰逊博士和他的团队专注于石墨烯的研究，由于官能化羟基存在，电池能够形成一个更稳定的绝缘膜来传导质子。约翰逊博士说：“我们的计算机模型表明，由于石墨烯独特的结构，使得它非常适合在无水条件下，通过电路快速地实现质子跨膜和电子传递。这表明将氢燃料电池车做为未来最佳的替代车辆，已指日可待。”