石墨烯:距燃料电池只有一步之遥

150多年前,自铅酸电池问世以来,关于革新电池技术的大胆观点就一直存在。目前最为普遍的燃料电池以氧和氢作为燃料,将输入的化学能转直接为电能。质子传导膜是现代燃料电池的核心技术,然而当前应用于燃料电池的质子传导膜效率相对较低,且易发生燃料渗透、导致污染。
当材料新秀——石墨烯问世后,关于它与燃料电池的研究也没有停止过。
英国曼彻斯特大学的研究者们发现,石墨烯可以对质子“网开一面”——质子能轻易地穿过这个超薄晶体,若是在持续升高的温度和使用铂基催化剂的情况下,效果更佳。这一特性石墨烯可能成为燃料电池的质子传导膜的新型理想材料。
2014年,美国莱斯大学JamesTour和其同事共同发明了激光石墨烯。激光石墨烯是一个表面由聚酰亚胺曝光后形成的多孔石墨烯组成的柔性膜物质。起初,研究人员是利用买到的聚酰亚胺薄片来制作激光石墨烯。后来,他们将硼浸入液体聚酰亚胺中来生成激光石墨烯,以此来提高其储存电荷的能力,使其成为非常有效的超级电容器。
在一次实验中,实验人员将含有三种不同浓度的钴溶液分别和铁或者钼金属盐进行融合,每一个混合物冷凝后就可以形成薄片,之后再用红外线激光进行照射,然后再在750摄氏度的高温下用氩气进行加热。
上述过程产生的MO-LIGs与10纳米的金属颗粒一起均匀分布在石墨烯中。实验显示,这些物质可以催化氧还原反应,这也是燃料电池中最为基础的化学反应。
2015年,他们成功开发出了一种成本更低的燃料电池催化剂解决方案。该催化剂利用激光使得石墨烯与各类金属纳米颗粒结合,同时结合后得到的金属激光氧化物嵌入石墨烯本体内,该催化剂可以在电化学氧化还原反应中保持很高的活性,而且其金属负载率低于1at%(原子百分数)。综上所述,此种激光石墨烯可代替昂贵的铂而用作燃料电池催化剂。
    在大洋彼岸的英国,关于石墨烯的研究也在进行着。英国曼彻斯特大学研究人员最新研究发现,石墨膜可从大气中吸附氢气,使之成为燃料电池的燃料来源。这种新型材料石墨烯可能是电池技术中最具革命性的进步。
  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。利用石墨烯膜可以提高效率和耐久性。研究小组发现,质子很容易穿透超薄晶体,尤其是在高温情况下。该膜可吸附空气中的氢——将质子传导膜同石墨烯结合,从而利用石墨烯吸附能力,收集大气中的氢,使之成为燃料电池的燃料来源,可以创建出只通过氢供应燃料的移动发电机。
近日,我国的一个研究机构开发出了一种特殊的石墨烯材料——它可以在不同的温度下做出不同的动作,比如伸展或收缩,甚至旋转等等。这也就意味着,可以通过使用这种石墨烯来制作低成本的传感器,包括温度、湿度和pH值等。石墨烯轻薄而坚硬的属性可以为汽车、飞机生产商提供更优质的生产材料,石墨烯制成的运输工具将大大减低燃油消耗;研究表明石墨烯可以将药品传送到人体的特定位置,在治疗脑部疾病方面大有可为;石墨烯薄膜还可以用来过滤海水,提取其中的盐分和其他杂质,净化出可饮用水。

    尽管目前石墨烯应用于太阳能电池领域尚处于理论阶段,但它潜在的可能性是惊人的。石墨烯太阳能电池能实现60%的光电转换率,是目前公认效率最大的晶体硅太阳能电池的两倍。但这一切都表明,石墨烯用于燃料电池已经是指日可待了。 




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