從航天器到遠(yuǎn)程氣象站，氫燃料電池為這些設(shè)施提供了極具吸引力的清潔可持續(xù)的能源供應(yīng)。但是用于分離燃料電池內(nèi)的陽極和陰極的Nafion膜在與水相互作用時會發(fā)生體積膨脹的問題，進而導(dǎo)致燃料電池效率降低。

如今，來自俄羅斯和澳大利亞的合作已經(jīng)表明，這種Nafion分離膜正常狀態(tài)下只是部分地展開了它的一些組成纖維，然而在水相中，材料的纖維會從表面突出到數(shù)百微米長。

這項研究由澳大利亞國立大學(xué)的BarryNinham教授領(lǐng)導(dǎo)的一個來自澳大利亞和俄羅斯的聯(lián)合實驗小組共同完成，BarryNinham教授是膠體和界面科學(xué)知名專家。他們的研究結(jié)果于本周在AIP出版社的JournalofChemicalPhysics上發(fā)表。

研究小組對這個項目的研究來源于一個假設(shè)，該假設(shè)利用一種新的水狀態(tài)來解釋Nafion膜的膨脹現(xiàn)象。同樣的，他們是第一個描述聚合物纖維在與水相互作用時從膜表面延伸的生長現(xiàn)象的研究小組。他們的研究證實纖維的數(shù)量隨著水中氘濃度的增加而增加。

“為了增加我們對這些膜的理解，我們需要描述氘化水與聚合物的分子水平間的相互作用，”Bunkin說。“現(xiàn)在我們已經(jīng)知道了這個研究'禁區(qū)'的結(jié)構(gòu)，我們可以通過研究離子特異性對其組織和功能的影響所引起的變化來定制Nafion分離膜的結(jié)構(gòu)及其電化學(xué)性質(zhì)。”

Nafion分離膜是迄今為止在燃料電池中使用的性能最高的市售氫氧化物質(zhì)子交換膜。其多孔性質(zhì)允許電解質(zhì)溶液進行高純度濃縮，同時將陽極與陰極分離，這將允許電子流動在燃料電池中并產(chǎn)生能量。

研究人員發(fā)現(xiàn)，通過解開表面結(jié)構(gòu)，分離膜對環(huán)境水中的氘含量特別敏感。聚合物纖維從膜延伸到水中。這種效果在水中最明顯，氘含量在百萬分之100到1,000之間。

在這項研究中，該團隊開發(fā)了一種專門的激光儀器(光致發(fā)光紫外光譜儀)來表征沿膜-水界面的聚合物纖維。雖然由于儀器的空間限制而沒有直接觀察到單根纖維，但該團隊已經(jīng)能夠可靠地檢測到它們在向水中生長。

“這項工作的重要性在于，它可能為生物學(xué)和能源生產(chǎn)的一些非?；镜念I(lǐng)域提供了一個研究方向，目前我們對此沒有任何研究認(rèn)知，”Bunkin說。