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燃料電池福音:質子不難穿透石墨烯

公告類型: 奈米新知
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根據理論學家的計算,氫原子小歸小,還是需要花數十億年才能通過單層石墨烯(graphene)。然而最近對二維材料屏障質子穿透的測量結果則顯示,單層石墨烯或氮化硼對質子而言具有高滲透性。這種高質子傳導性可能有助於研發更輕、更有效率的氫燃料電池。

英國曼徹斯特大學的諾貝爾獎得主Andy Geim表示,他們的實驗數據顯示屏障的高度約為理論值的一半,這點影響甚鉅,因為滲透率是以指數變化,因此滲透平面材料不需要數十億年,只需相對合理的時間。此結果除了給理論學家後續研究的空間,也對研發更有效的燃料電池帶來影響。

氫燃料電池將甲烷和乙醇中的化學能量轉換成電能,電池中的薄膜能阻擋汙染物同時允許質子(及氫離子)通過。在現今亟需能源的環境下,氫燃料電池可能成為極具吸引力的替代能源。此研究的通訊作者Marcelo Lozada-Hidalgo表示,傳統材料製成的薄膜效果多半都會打折扣,因為阻擋汙染物需要較厚的材料,但質子滲透度也因此下降。此實驗顯示石墨烯有潛力在防止汙染物穿透的同時,將質子的電阻率降低至10–3Ω·cm2,此傳導性已經超過美國能源部設定須於2020年達成的標準。

Geim及其曼徹斯特大學、中國科學院、荷蘭奈梅亨大學(Radboud University of Nijmegen)的同事,在氮化矽膜的圓孔上加了一片單層二維材料,然後置於灌滿氫氣的小室中,並施加電壓,以測量質子穿透二維材料的傳導性,結果發現石墨烯和氮化硼(BN)都有高滲透性。氮化硼的滲透性在低溫時優於石墨烯,石墨烯則在較高溫時領先氮化硼。此外,若使用兩層石墨烯或超過兩層的氮化硼,則質子無法滲透。

在石墨烯和氮化硼中的原子都六角形的蜂巢晶格排列。過去研究認為圍繞晶格原子的電子雲密度甚高,質子無法穿透,但此實驗結果顯示圍繞原子的電子分佈並不均勻。Geim表示,氮化硼的電子雲密度較石墨烯低,因此質子較易穿過。在多層材料中,不同層的電子雲密度重疊會阻擋質子的通過路徑。

這個解釋符合低溫下的觀察,但容留下一些未解之謎,例如次原子粒子如何穿透電子雲,也無法明確解釋為何實驗值只有理論值與的一半,以及石墨烯於較高溫時比氮化硼擁有更佳的滲透性。詳見近期出刊的Nature | DOI: 10.1038/nature14015。


原始網站:https://nano.nchc.org.tw/index.php?apps=news&mod=welcome&action=show&gid=1002
譯者/譯者服務單位:洪士傑/奈米科學網特約譯者   責任編輯:蔡雅芝
發布日期: 2015/01/05
發布人員: 王芊樺