或許有一天，我們的手機或筆記本電腦的電池不再靠充電而是加“燃料”，待機時間可以數(shù)倍增加，性能也會更好。這看起來似乎有點不可思議，而這種可以隨時隨地添加“燃料”的電池正是關(guān)系到國計民生的可再生能源領(lǐng)域的重點研究方向之一。天津大學機械學院內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室外籍教授邁克爾·蓋佛（Michael D. Guiver）與尹燕副教授的一項研究成果有望將這一設(shè)想向前推進。

目前該研究團隊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，如同在電池內(nèi)部構(gòu)建起一條“高速公路”，實現(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。

人類正處于一個能源變革的時代。燃料電池被譽為繼火力、水力、核動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、國防建設(shè)等諸多方面，如手機和筆記本電腦等便攜式電子設(shè)備，電動汽車，區(qū)域發(fā)電站，潛艇、航天飛機的電源。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)用價值和開發(fā)前景。

質(zhì)子在交換膜中傳導(dǎo)時，路徑越短越省時，省時意味著高效，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蠓忍岣?。受此啟發(fā)，與通常制備質(zhì)子交換膜時使用的溶液澆鑄制膜法不同，邁克爾·蓋佛與尹燕副教授團隊在制膜過程中加入磁場的輔助，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，該制膜方法同時解決了水溶性的磷鎢酸在聚合物基體中容易滲出的科學難題。

此外，通過鐵氰配位聚合物中鐵氰基團的氧化還原循環(huán)，該質(zhì)子交換膜能夠在電池運行中不斷消耗系統(tǒng)內(nèi)的自由基，使得膜的應(yīng)用耐久性得到提升。與現(xiàn)有的其他碳氫系質(zhì)子交換膜和作為工業(yè)標準的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，天津化學化工協(xié)同創(chuàng)新中心和天津工業(yè)大學省部共建分離膜與膜過程國家重點實驗室為合作單位。