石墨烯之質子穿透性質_機理 (#24)

2015-7-24

車用氫燃料電池的核心，是一片薄薄的氟碳聚合物，稱為質子交換膜（PEM），它身兼電極（用以傳遞電荷）與防止氫燃料與氧混合的阻障物等雙重功能。當隔膜表面的觸媒使氫原子上的電子遊離時，即產生電力，供應燃料電池汽車動力。接著，電荷載子（氫離子或質子）穿透隔膜，與氧氣和一個電子結合而形成水，這也是唯一產生的廢料。多個單電池單體組合起來，則成為所謂的電池組。PEM燃料電池可將導入燃料中 55％的能量轉化為功輸出，因而獲得工程師的青睞；內燃機的效率則為 30％左右。其他優點還包括運轉溫度較低（80℃）、安靜且安全性佳、操作容易以及維修需求低。PEM隔膜的另一運作關鍵，則是鍍於隔膜兩面的薄層鉑觸媒，占電池組成本的四成。觸媒同時幫助來自燃料的氫與來自空氣的氧分子分解、解離、釋放或接受質子與電子，而發生氧化反應。在隔膜的氫氣側，氫分子（即兩個氫原子）必須連接於兩個緊鄰的觸媒部位，從而釋出帶正電的氫離子（即質子）穿透隔膜。氫離子與一個電子和氧配對時，氧氣側便發生複雜的反應，然後產生水。這個反應可能生成過氧化氫之類的有害副產物，進而損傷燃料電池組件，因此必須巧妙地予以控制。

燃料電池組的成本中，隔膜所佔比率達35％。研究人員列出若干必要加強之處，例如減低隔膜兩側的燃料穿透度；提升隔膜的化學與機械穩定性，使之更為耐用；抑制非預期之次反應，以及提高對燃料雜質或反應中多餘副產物（如一氧化碳）等污染的耐受性。而最重要的，就是要能全面降低成本。較之於現有的隔膜製品，碳氫化合物隔膜可於更高的溫度下使用（高達 95℃），因此可以使用較小型的散熱器，其壽命比氟碳製品長 50％，產生的動力也多出 10~15％，並可於濕度更低的環境下運轉（因此問題較少）。此外，氟碳隔膜的成本約為每平方公尺 300美元，聚合燃料研製的材質成本卻可能只有一半。雖然很多其他研究人員仍對碳氫化合物隔膜存疑，本田最新款的FCX系列燃料電池車卻已經開始採用了。

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 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，這點影響甚巨，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。傳統材料製成的薄膜效果多半都會打折扣，因為阻擋污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污染物穿透的同時，將質子的電阻率降低至 10^-3Ω·cm，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及其同事，在氮化硅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云密度甚高，質子無法穿透，但此實驗結果顯示圍繞原子的電子分布並不均勻。Geim表示，氮化硼的電子云密度較石墨烯低，因此質子較易穿過。在多層材料中，不同層的電子云密度重迭會阻擋質子的通過路徑。這個解釋符合低溫下的觀察，但也留下一些未解之謎，例如次原子粒子如何穿透電子云，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。

nnRef.: Naturen| DOI: 10.1038/nature14015。
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