丹凤千字科普：水能通过质子交换膜吗为什么（详细资料介绍）

来源：科技前线

初见张生教授，天津大学化工学院的优秀青年学者给予人们深刻的印象：文雅内敛，言语不多，典型的学者风范。一谈到他深耕多年的电化学研究领域，张生的眼神立刻变得熠熠生辉，侃侃而谈。他在与各种电池的打交道中取得了多项世界领先的研究成果。他坦言：“利用电化学原理开发清洁能源技术是我的人生目标。”

最近，张生与英国曼彻斯特大学的物理学奖得主安德烈海姆爵士合作，证实了石墨烯、氮化硼等二维材料具有质子传导性。更进一步的发现令人振奋：他们成功地将自然界广泛存在的云母应用于燃料电池的高温质子交换膜，其性能超越了现有的商业膜，更环保、更高效。这两项研究分别在世界顶级学术期刊《自然纳米》与《自然通讯》上发表。

从小，张生就与“电”结下了不解之缘。从本科到博士，他一直研读电化学专业。中学时，他最喜欢做的化学实验就是拆解旧电池，插入碱性溶液中，产生电流，让小灯泡亮起。“那时候我就知道，干电池就是电化学原理的应用，把化学能转化为电能。”张生回忆道。

2005年，张生开始接触燃料电池，从此便一头扎进了这个领域。他说：“燃料电池是一种极具潜力的清洁能源技术，能量转换效率高，而且发电过程无污染。”但当时，我国燃料电池研究刚刚起步，成本高昂，难以实现商业化。

读博士时，张生的主要研究方向是降低燃料电池成本。他和团队通过碳改性，增加廉价金属的使用量，实现了与昂贵铂金催化剂相同的效果，大大降低了电极成本。

在燃料电池中，质子传导性能对能量转化效率至关重要。张生解释道：“当时市场上主要是全氟磺酸膜，技术垄断导致价格高昂且不耐高温。”他意识到，理想的质子传导膜需要既薄如蝉翼，又要如同一张精细的网，只允许质子快速通过，同时阻止反应物氢气的渗透。但这个难题一直困扰着他。

带着这个难题，张生前往进行博士后研究，主攻方向是二氧化碳的电化学转化利用。在国外，他接触到了更多材料学、化学、物理等领域的知识，这些新知识拓宽了他的视野，但他始终念念不忘寻找更优的质子传导膜。

经过不懈努力和卓越的研究成果，张生获得了杰出人才计划资助，到英国曼彻斯特大学工作，继续专攻质子交换膜的研究。

寻找适合做“网”的二维材料并非易事。张生说：“我们找到了石墨烯这种材料，但研究过程充满波折。”他们尝试了各种方法将石墨烯从铜片上转移下来，最终通过一种特殊的胶增加了界面强度，实现了石墨烯膜的完美转移。

石墨烯膜并未解决耐高温问题。回国后，张生不断探索与石墨烯结构相近的材料，但都存在各种问题。直到云母的发现让他如获至宝。“云母在地壳中储量丰富、价格低廉，制备的云母质子膜性能卓越。”张生介绍，云母膜质子传导率超过了商业化要求的两倍，未来应用于燃料电池的电动汽车行驶里程将大幅提高。

张生还致力于将二氧化碳转化为有用物质。他依托天津大学化学学院的绿色合成与转化重点实验室，通过反向利用燃料电池的能量转化原理，将二氧化碳转化为甲酸、乙烯和乙醇等物质。“虽然这项研究难度大，但我相信通过团队的努力，我们一定能开发出通过电化学途径转化二氧化碳的清洁能源技术。”面对未来，张生充满信心。