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科学家揭秘Nafion质子交换膜遇水膨胀的秘密

科学家揭秘Nafion质子交换膜遇水膨胀的秘密

编辑:肖潇 2018-11-05 14:14:00

本文译自Science Daily

对于宇宙飞船、边远气象站等远程应用来说,氢燃料电池提供了一种有吸引力的持续能量来源。然而,燃料电池中用于隔开阴极和阳极的Nafion膜接触水后会膨胀,从而降低电池效率。

一项俄罗斯与澳大利亚的合作项目显示:Nafion膜有部分组成纤维是舒展开的,这部分纤维在水相环境中会从表面突出数百微米。

该研究队伍由一支俄罗斯小组联合澳大利亚国立大学的Barry Ninham教授共同领导,其中Barry Ninham教授是一名顶尖的胶体与表面科学专家。他们的研究成果刊登在近期的化学物理周刊(The Journal of Chemical Physics)上。

研究小组的这个项目开始于验证一个假说,即Nafion膜的膨胀归因于水的一种新状态。然而,他们成为了第一个描述这种聚合物纤维接触水之后,从膜表面伸长出来的研究团队,聚合物纤维的数量随着水中氘浓度的增长而增长。

“为了增加我们对这些膜的理解,我们需要描述重水与聚合物分子水平的相互作用”,Bunkin说。“如果我们知道了‘禁区’的结构,我们可以通过研究Ion-specific 效应诱导组织和功能的变化来定制Nafion的结构和电学性质”

Nafion是目前燃料电池中,性能最好的商业化质子交换膜。其多孔的特性允许了电解液的高浓度浓缩,同时将阴极和阳极分隔开来,从而允许了燃料电池中电子流产生能量。

通过拆开表面结构,研究人员发现膜对于环境水中氘含量十分敏感。当氘含量在万分之一到千分之一时,聚合物纤维从表面伸出来的情况最显著。

为了这项研究,该团队发明了一种激光仪器(光致发光的紫外光谱仪)来描述从膜-水界面伸出的聚合物纤维。虽然空间限制了仪器直接观察到这些单个的纤维,但该团队能准确地检测到他们伸入水里的部分。

“这项研究或许能给一些我们不知道的生物类基础研究和能源生产提供帮助”Bunkin说。


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