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科學家發現質子可輕易穿透石墨烯片層

石墨烯能夠隔絕所有氣體和液體,但中英兩國科研人員聯合研究發現,它對質子卻“網開一面”,大方放行。這一發現或将給燃料電池和其他氫動力技術帶來革命性改變,也使制造出以空氣為動力的發電機成為可能。

2004年,英國曼徹斯特大學安德烈·海姆領導的團隊首次成功分離出穩定的石墨烯,它隻有一個原子厚,其屏障性能良好。如果要讓所有原子中體積最小的氫原子穿過薄薄的單層石墨烯,要耗掉宇宙“一生”的時間,因此被廣泛用于防腐塗料和防滲透包裝。中國科技大學吳恒安等人與海姆團隊合作,進行了一系列實驗,看石墨烯是否能同樣隔絕質子。和之前預測相反,他們發現質子輕易就穿透了石墨烯片層,且在高溫和像鉑這樣的催化納米粒子的幫助下,“通行”會更順暢。

這一發現,讓石墨烯和與它相近的材料氮化硼成了制作質子膜的理想材料,質子膜是現代燃料電池技術的核心。燃料電池将氧氣和氫氣作為燃料,把化學能轉化為電能,如果沒有隔絕其他物體而隻傳導質子的薄膜,這一技術就無法實現。盡管概念已經并不新鮮,但燃料電池技術還需要進一步發展才能使其得到更廣泛應用。目前面臨的一個主要瓶頸就是,現有質子膜存在燃料滲透問題,這會降低燃料電池發電效率和使用的持久性。

新研究表明,使用石墨烯或單層氮化硼能讓現有的質子膜更輕薄、更高效,而且燃料滲透少,毒性低——這能大大增強燃料電池的競争力。該研究還證明,他們能用這一個原子厚的薄膜從潮濕空氣中提取氫,如此一來,就能制作一種以空氣中提取的氫為燃料的移動發電機。科研人員馬薩羅·洛薩達-伊達爾戈表示,目前使用的是小型薄膜來做實驗,因此得到的氫氣自然也不會很多。但這隻是發現的第一步,而真要造出和試驗這樣的氫氣收集器,還任重道遠。

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