高效清潔的新能源技術：氫燃料電池

眾所周知，能源危機問題和環(huán)境問題是當今人類社會維持可持續(xù)發(fā)展所迫切需要解決的問題。為此，人們提出了各種以可再生清潔能源為基礎的新技術替代傳統(tǒng)的化石能源。在眾多太陽能、核能、風能、潮汐能等眾多新能源中，氫能由于其燃燒熱值高、燃燒產(chǎn)物清潔、可循環(huán)使用的優(yōu)點而受到人們的關注。

氫燃料電池是氫能利用的一種重要形式，是將氫氣和氧氣的化學能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置。電池工作過程中不需要進行燃燒，沒有能量損耗，因此能量轉(zhuǎn)換率可高達60%~80%，為普通內(nèi)燃機的2~3倍。氫燃料電池的反應產(chǎn)物只有水，不會產(chǎn)生任何有害物質(zhì)，對環(huán)境無污染。且電池運行安靜，噪聲大約只有55分貝，相當于人們正常交談的水平，適合于室內(nèi)安裝，或是在室外對噪聲有限制的地方。另外，電池裝置可大可小，非常靈活，可廣泛應用于汽車、航天等領域。

圖一 氫燃料電池在汽車中的應用(圖片來源于網(wǎng)絡)

氫燃料電池的工作原理如圖二所示。氫氣在陽極失去電子并釋放質(zhì)子（H+），H+通過質(zhì)子交換膜擴散到陰極；電子經(jīng)外電路流向陰極，O2在陰極得到電子被還原為O2-離子，O2-離子與擴散過來的質(zhì)子結(jié)合生成H2O，完成電池反應。該過程中，質(zhì)子交換膜既要保證質(zhì)子的順利通過，又要防止其兩側(cè)的氣體滲透，是氫燃料電池的核心器件，其性能對電池的工作效率具有決定性的影響。因此，如何提高質(zhì)子交換膜的質(zhì)子傳導性能是近年來燃料電池領域中被廣泛關注的研究課題。

圖二 氫燃料電池工作原理示意圖

當前廣泛用作質(zhì)子交換膜的主要是Nafion（全氟磺酸質(zhì)子交換膜），其質(zhì)子電導率可達0.1 S?cm-1。但Nafion膜的熱穩(wěn)定性較差，當電池的工作溫度高于80 oC時，其質(zhì)子電導率（σH+）會有顯著下降。Nafion膜對電池工作環(huán)境的高要求，很大程度地限制了燃料電池技術的推廣應用。研究發(fā)現(xiàn)，金屬有機骨架（MOFs）材料作為優(yōu)良的質(zhì)子導體可與Nafion 復合并發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢，獲得更高性能的質(zhì)子交換膜。但該方法存在兩個突出的問題：一是影響MOFs質(zhì)子傳導性的因素復雜，構效關系不明確，提高MOFs質(zhì)子傳導性的方法不夠明確；二是MOFs材料的機械強度差，不易加工，自身不適合做質(zhì)子交換膜，與Nafion復合時也存在二者界面的兼容問題以及顆粒的聚集問題。

因此，本課題組從當前質(zhì)子交換膜的實際問題出發(fā)，將從原子、分子層次上探索MOFs材料質(zhì)子傳導性能的構效關系，尋找控制材料顆粒尺寸的有效手段，優(yōu)化質(zhì)子交換復合膜的制作方法，旨在解決MOFs材料的質(zhì)子傳導性提升以及與Nafion 界面的兼容性的科學問題，提高復合膜的各項性能指標，解決當前PEM質(zhì)子電導率不高、穩(wěn)定性差的科學問題，進而提升燃料電池的工作效率、拓寬應用領域，為我國“發(fā)展新能源”、“減少碳排放”戰(zhàn)略目標的實現(xiàn)貢獻力量。

導師簡介

盧靜，博士，副教授，碩士研究生導師。長期從事MOFs材料的合成、結(jié)構及其功能性研究工作，主持完成國家自然科學基金青年項目一項，參與完成國家自然科學基金面上項目一項，省自然科學基金兩項。在國際學術期刊發(fā)表SCI論文30余篇。獲得聊城大學2021年度教學觀摩賽一等獎、2022年度教學創(chuàng)新大賽二等獎（副高組），聊城大學“光岳人才”第二層次獎勵。目前，指導的已畢業(yè)碩士研究生7人，其中有4人順利考取博士。

招生專業(yè)：無機化學