幾乎所有的制造商開發(fā)的重量級汽車中的氫燃料電池汽車都是零排放的，因為它們的排氣中只有水。但它們的可靠性受到限制，因為燃料電池依賴于一層薄膜，當存在足夠的水時，這種薄膜才能起作用，使車輛的操作受到限制。
 

　　匹茲堡大學斯旺森工程學院的研究人員發(fā)現(xiàn)，石墨烯（二氧化碳和氫氣的二維聚合物）具有一種不尋常的特性，它可以形成一種無水的“管道”，也就是說不需要水就可運輸質子。無形之中引領了開發(fā)氫燃料電池的潮流，這種燃料可用于車輛和其他能源系統(tǒng)。
 

　　這個項目的主要研究人員是卡爾·約翰遜，斯旺森學院化學與石油工程系的威廉·開普勒·懷特福德教授和研究生助理Abhishek Bagusetty。他們的工作是簡便質子在無水環(huán)境下的運輸，為制備羥基官能化的石墨烯奠定基礎。本周，他們在《Physical Review Letters》雜志上，對該技術做了闡述。該研究小組表示，如果能夠與計算建模技術與大學研究計算中心的高性能計算基礎設施相結合，他們將有希望設計出這種潛在的突破性材料。
 

　　氫燃料電池類似于可以用氫氣和氧氣進行充電的電池。利用電解水的逆反應，將氫氣供給燃料電池的陽極，氫通過陽極向外擴散和電解質發(fā)生反應后放出大量游離的質子與電子，而氧氣進入陰極，最終與質子和電子化學結合形成水，釋放大量的能量。
 

　　質子傳導膜（PEM）是質子交換膜燃料電池的核心所在，在燃料電池內(nèi)部，質子交換膜為質子的遷移和輸送提供通道。此膜對溫度和含水量要求高，當溫度過高或濕度下降，這會消耗水膜并阻止質子遷移穿過膜。約翰遜博士解釋說，針對這個原因，對于開發(fā)能夠以非常低的水位，甚至在完全不存在水（無水）的情況下可以運行的新型膜材料，具有很高的商業(yè)前景。
 

　　約翰遜博士說：“迄今最常用的氫燃料電池中的PEM，大多是采用由一種名為Nafion的聚合物制成，只有當它具有適量的水時，才能進行質子交換。但是水‘泛濫’的話，反會使質子交換膜變干，質子停止交換，電池也會停止工作。就好比你往發(fā)動機里加多了汽油一樣。”
 

　　約翰遜博士和他的團隊專注于石墨烯的研究，由于官能化羥基存在，電池能夠形成一個更穩(wěn)定的絕緣膜來傳導質子。約翰遜博士說：“我們的計算機模型表明，由于石墨烯獨特的結構，使得它非常適合在無水條件下，通過電路快速地實現(xiàn)質子跨膜和電子傳遞。這表明將氫燃料電池車做為未來最佳的替代車輛，已指日可待。”