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中國科大石墨烯類膜材料質(zhì)子輸運(yùn)特性研究獲進(jìn)展 已有8人參與
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2014/11/28 13:36:00中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)新聞網(wǎng)字號：小 中 大 內(nèi)容摘要：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)與英國曼徹斯特大學(xué)安德烈眠姆教授課題組及荷蘭內(nèi)梅亨大學(xué)研究人員合作，發(fā)現(xiàn)石墨烯以及氮化硼等具有單原子層厚度的二維納米材料可作為良好的質(zhì)子傳導(dǎo)膜。 近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院近代力學(xué)系中國科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的吳恒安教授和王奉超特任副研究員，與諾貝爾物理獎(jiǎng)得主、英國曼徹斯特大學(xué)安德烈眠姆教授課題組及荷蘭內(nèi)梅亨大學(xué)研究人員合作，在石墨烯類膜材料質(zhì)子輸運(yùn)特性研究方面取得了突破性進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)石墨烯以及氮化硼等具有單原子層厚度的二維納米材料可作為良好的質(zhì)子傳導(dǎo)膜。該成果以“Proton transport through one-atom-thick crystals”為題于2014年11月26日在線發(fā)表在國際著名期刊Nature上，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)吳恒安教授是該文共同通訊作者。 石墨烯是一種由碳原子按照六角蜂巢晶格排列而成的單層網(wǎng)狀二維材料，二維氮化硼納米材料也具有跟石墨烯相似的六角網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，任何氣體分子或流體分子，哪怕是最小的氫原子，都無法穿透不含缺陷的完美石墨烯片層。最新研究表明，質(zhì)子可以較為容易地穿越石墨烯和氮化硼等二維材料。而且，升高溫度和加入催化劑可顯著促進(jìn)這一過程。吳恒安教授課題組在該項(xiàng)工作中做出的核心貢獻(xiàn)是采用第一性原理計(jì)算模擬了二維納米材料的電子云密度分布，解釋了質(zhì)子穿透的微觀機(jī)理，并通過計(jì)算機(jī)模擬分析了質(zhì)子通過石墨烯和氮化硼二維材料的能壘，進(jìn)一步對該過程給出了定量化的描述。 該發(fā)現(xiàn)有望為燃料電池和氫相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域帶來革命性的變化。燃料電池是將燃料具有的化學(xué)能直接變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置，是一種能源利用效率高而又不污染環(huán)境的理想發(fā)電技術(shù)。然而，目前采用的質(zhì)子傳導(dǎo)膜普遍存在燃料滲透的問題，成為限制燃料電池技術(shù)進(jìn)一步推廣應(yīng)用的瓶頸。如采用石墨烯和氮化硼等單原子層二維材料作為質(zhì)子傳導(dǎo)膜，可使得現(xiàn)代燃料電池變得更輕薄、更高效。該研究成果不僅為人類認(rèn)知石墨烯及氮化硼的材料特性帶來了全新發(fā)現(xiàn)，而且將二維納米材料和氫相關(guān)技術(shù)這兩大熱點(diǎn)領(lǐng)域緊密地聯(lián)系了起來。 Nature網(wǎng)站以首頁頭條形式第一時(shí)間對該成果進(jìn)行了報(bào)道。同期Nature的新聞視點(diǎn)欄目（NEWS &VIEWS）以“Materials science: Breakthrough for protons”為題對該成果進(jìn)行了重點(diǎn)評論和展望。麻省理工學(xué)院的Karnik教授在評論中指出，質(zhì)子傳導(dǎo)膜是質(zhì)子交換膜燃料電池的核心所在，本項(xiàng)研究取得的突破性進(jìn)展在理論上已經(jīng)達(dá)到美國能源部設(shè)定的2020年質(zhì)子交換膜輸運(yùn)性能目標(biāo)。 吳恒安教授課題組同Geim教授課題組保持著長期穩(wěn)定的合作關(guān)系。此前雙方的兩篇合作文章分別于2012年和2014年發(fā)表在國際著名期刊Science上。 |
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