新的膜技术可能助推氢燃料电池汽车成为可能

虽然氢燃料电池驱动的汽车提供明确的优势越来越受欢迎的电动汽车(包括他们的时间范围,降低总体环境影响,事实上,他们可以在几分钟内加油,和小时的充电时间),他们与消费者还没有起飞。

其中一个原因是生产、分配和储存为其提供动力所需的纯氢的高成本和复杂性，这阻碍了氢燃料补给站的推广。

工程师们早就认识到氢的能量和无限的可用性，氢是宇宙中最丰富的元素。

氢自然存在于环境中，但它几乎总是与其他元素发生化学结合——例如，与水中的氧(H2O)或甲烷中的碳(CH4)。

要得到纯氢，必须从这些分子中分离出来。实际上，美国生产的所有氢都是通过蒸汽重整从碳氢化合物燃料(主要是天然气)中获得的。蒸汽重整是一个多步骤的过程，在催化剂的存在下，碳氢化合物与高温蒸汽发生反应，生成一氧化碳、二氧化碳和分子氢(H2)。

然后，氢可以通过一个繁琐的、多步骤的化学过程从其他气体中分离出来，但使用薄膜进行分离可以降低生产氢的成本和复杂性。目前正在开发的大部分氢分离膜都使用贵金属钯，钯具有异常高的氢溶解性和渗透性(这意味着氢很容易溶解并穿过金属，而其他气体则被排除在外)。但钯价格昂贵(目前每盎司售价约为900美元)且易碎。

由于这些原因，化学工程师们一直在寻找用于氢分离膜的钯的替代品，但到目前为止，还没有合适的替代品出现。

许多金属和合金在蒸汽重整系统(大约500摄氏度)的标准操作温度下都是液态的，其中大多数都比钯便宜得多。此外，由液态金属薄膜制成的膜不应容易出现使钯膜不能使用的缺陷和裂纹。液态金属比钯膜似乎也更有效分离纯氢气从其他气体。

现在的电动汽车的能量是不可逆转的，继电动汽车之后的下一步是氢燃料汽车——如果氢供应难题得到解决的话。和电池驱动的电动汽车一样，燃料电池汽车也有电动机。当氢和氧在催化剂(唯一的“废物”是水)的作用下结合时，发动机由燃料电池内部产生的电力提供动力。虽然汽车可以从空气中吸收氧气，但必须携带纯氢。

许多研究人员致力于通过制造更好更薄的钯膜来降低氢的成本。钯层变薄可以增加膜的通量，或者纯氢通过膜的速度。但是如果薄膜太薄，它就会变得脆弱，或者产生缺陷。如果它们出现细小的裂纹或微孔，就得重新开始。

六年前，达塔和他的学生开始思考液态金属是否能克服钯的某些限制——尤其是它的成本和

除了化学亲和，渗透还取决于金属晶体结构的开放程度。液态金属原子间的空间比固态金属大，所以它们的溶解性和扩散性应该更高。

镓是一种在室温下是液态的无毒金属，是一个很好的候选者，因为它在高温下的氢透过率明显高于钯。事实上，实验室研究和理论建模表明，一些在较高温度下是液态的金属可能比钯具有更好的氢渗透性。

尽管液态镓作为氢分离材料显示出了巨大的潜力，但事实证明，用这种金属制造一种功能薄膜颇具挑战性。事实上，液态金属具有很强的反应性。不能把镓放在多孔金属支架上，因为在更高的温度下，镓会迅速形成金属间化合物，杀死渗透性。这种金属还会与一些常用作钯膜支撑的陶瓷材料发生反应。通过模拟和实验,包括碳基材料如石墨和碳化硅,与液体镓但不发生化学反应,也可与水混合的液态金属,这意味着金属将展开支架材料上形成薄膜。

意识到液体金属的表面张力在应对变化可能会改变温度和气体的成分他们接触,可能产生泄漏,插入两层之间的金属支架材料来创建一个夹在液态金属薄膜或SLiMM。在碳化硅层和石墨层之间构建了一层由液体镓组成的薄膜(十分之二毫米)，并对其稳定性和氢渗透性进行了测试。

膜被暴露在氢气氛两周在温度从480到550摄氏度。液体镓电影35倍的渗透比一层类似的钯氢,氢的扩散通过夹膜是典型的钯膜高出许多。这些膜是选择性的，只允许氢通过。液态金属可能是氢分离膜的合适候选材料，这些材料可能是长期以来寻找的钯的替代品。

有许多问题仍然需要回答,包括小膜是否可以扩大我们在实验室构建和膜是否会抵抗物质出现在改革后的气体(包括一氧化碳和硫)已知的毒药钯膜。但是通过展示夹液态金属薄膜的可行性,我们已经打开了门极有前途的新领域的氢能源研究,还有许多其他的金属和合金,除了镓,液体在500摄氏度时,它是一个可能使用的材料。