或許有一天，我們的手機(jī)或筆記本電腦的電池不再靠充電而是加“燃料”，待機(jī)時(shí)間可以數(shù)倍增加，性能也會(huì)更好。這看起來似乎有點(diǎn)不可思議，而這種可以隨時(shí)隨地添加“燃料”的電池正是關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的可再生能源領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向之一。天津大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室外籍教授邁克爾·蓋佛（Michael D. Guiver）與尹燕副教授的一項(xiàng)研究成果有望將這一設(shè)想向前推進(jìn)。
目前該研究團(tuán)隊(duì)已成功制備出一種新穎的取向型復(fù)合質(zhì)子交換膜，具有在膜的透過面方向定向排列的質(zhì)子通道。將這種質(zhì)子交換膜應(yīng)用于燃料電池時(shí)，如同在電池內(nèi)部構(gòu)建起一條“高速公路”，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子的短路徑高效傳輸，極大地提高了質(zhì)子交換膜燃料電池的功率輸出。
人類正處于一個(gè)能源變革的時(shí)代。燃料電池被譽(yù)為繼火力、水力、核動(dòng)力之后第四代電力開發(fā)技術(shù)，是一種快捷可靠的能量轉(zhuǎn)換裝置，可以直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。
近年來，有關(guān)質(zhì)子交換膜燃料電池的研究成果被廣泛應(yīng)用于日常生活、科技產(chǎn)品、國(guó)防建設(shè)等諸多方面，如手機(jī)和筆記本電腦等便攜式電子設(shè)備，電動(dòng)汽車，區(qū)域發(fā)電站，潛艇、航天飛機(jī)的電源。質(zhì)子交換膜燃料電池已經(jīng)向世界展現(xiàn)出極大的應(yīng)用價(jià)值和開發(fā)前景。
質(zhì)子在交換膜中傳導(dǎo)時(shí)，路徑越短越省時(shí)，省時(shí)意味著高效，高效則連接著成本和性能。如果能夠在質(zhì)子交換膜內(nèi)構(gòu)建沿著膜透過面方向排列的無曲折、短路徑質(zhì)子通道，質(zhì)子傳輸?shù)男示蜁?huì)大幅度提高。受此啟發(fā)，與通常制備質(zhì)子交換膜時(shí)使用的溶液澆鑄制膜法不同，邁克爾·蓋佛與尹燕副教授團(tuán)隊(duì)在制膜過程中加入磁場(chǎng)的輔助，利用鐵氰配位聚合物和磷鎢酸形成的順磁性復(fù)合體，在質(zhì)子交換膜的透過面方向構(gòu)建了取向型短路徑高效質(zhì)子傳輸通道。
可喜的是，通過鐵氰配位聚合物和磷鎢酸的復(fù)合，該制膜方法同時(shí)解決了水溶性的磷鎢酸在聚合物基體中容易滲出的科學(xué)難題。
此外，通過鐵氰配位聚合物中鐵氰基團(tuán)的氧化還原循環(huán)，該質(zhì)子交換膜能夠在電池運(yùn)行中不斷消耗系統(tǒng)內(nèi)的自由基，使得膜的應(yīng)用耐久性得到提升。與現(xiàn)有的其他碳?xì)湎蒂|(zhì)子交換膜和作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的Nafion 212膜相比，這種取向型質(zhì)子交換膜在質(zhì)子電導(dǎo)率、燃料電池能量輸出和使用壽命方面具有更明顯的優(yōu)勢(shì)和潛力。
相關(guān)成果論文于2019年2月19日在《自然-通訊》在線發(fā)表。博士后劉鑫為第一作者，邁克爾·蓋佛教授與尹燕副教授為共同通訊作者，天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心和天津工業(yè)大學(xué)省部共建分離膜與膜過程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為合作單位。
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