新型超薄膜让燃料电池高温下稳定运行

科技日报记者 张佳欣

澳大利亚莫纳什大学的工程师团队开发出一种新型超薄膜，首次实现在无水环境中持续传输质子，使燃料电池能在更高温度下高效稳定运行，从而突破了制约燃料电池性能提升的一个关键瓶颈。相关研究成果发表于最新一期《科学进展》杂志。研究人员表示，这一进展有望推动燃料电池在交通运输、重工业以及未来清洁能源体系中的更广泛应用。

莫纳什大学新近研发的质子传导膜。二维纳米片与纳米限域磷酸的结合，使其能够在恶劣环境下实现稳定、高效的能量转换。图片来源：澳大利亚莫纳什大学

燃料电池能够将化学能直接转化为电能，其主要副产物是水和热量。目前，它已被用于氢燃料汽车、医院与数据中心的备用电源，以及航天器等对轻量化与可靠性要求极高的场景。然而，现有燃料电池体系大多依赖水基质子传导膜，在较高温度下，水容易挥发或失效，从而导致传导效率下降。

针对这一问题，研究团队提出了一种新型复合膜设计思路。他们将原子级超薄纳米片与纳米限域磷酸相结合，构建出多通道质子传输结构。其中，石墨烯与氮化硼构成的纳米片提供了连续而稳定的传输骨架，而被限制在微纳空间中的磷酸则充当高效“质子中转介质”，使质子能够通过类似“接力跳跃”的方式在材料内部快速移动，从而在无水条件下仍保持高效传导能力。

实验结果显示，该材料在约250℃的高温环境下仍可快速传输质子，并在氢燃料电池测试中展现出极高的功率输出性能。同时，在以高浓度甲醇作为燃料的条件下，该膜材料同样表现出良好的稳定性和持续运行能力，说明其在干燥、高温等严苛条件下仍能保持稳定与高效。

除了燃料电池外，这种设计思路还可拓展至多种电化学技术，包括水分解、二氧化碳还原以及氨合成等领域。从更广泛意义上看，它为设计下一代质子传导材料提供了一种新平台，即通过将二维纳米片与纳米限域质子载体相结合来实现性能突破。