石墨烯類膜材料質子輸運特性研究取得突破性進展

　　近日，中國科學技術大學工程科學學院吳恒安教授、王奉超副研究員，與諾貝爾物理獎得主、英國曼徹斯特大學安德烈·海姆教授課題組及荷蘭內梅亨大學研究人員合作，在石墨烯類膜材料質子輸運特性研究方面取得了突破性進展，發現石墨烯以及氮化硼等具有單原子層厚度的二維納米材料可作為良好的質子傳導膜。該成果于11月26日在線發表在Nature上，吳恒安教授是該文共同通訊作者。

　　石墨烯是一種由碳原子按照六角蜂巢晶格排列而成的單層網狀二維材料，二維氮化硼納米材料也具有跟石墨烯相似的六角網狀結構。傳統觀點認為，任何氣體分子或流體分子，哪怕是最小的氫原子，都無法穿透不含缺陷的完美石墨烯片層。最新研究表明，質子可以較為容易地穿越石墨烯和氮化硼等二維材料。而且，升高溫度和加入催化劑可顯著促進這一過程。吳恒安教授課題組采用第一性原理計算模擬了二維納米材料的電子云密度分布，解釋了質子穿透的微觀機理，并通過計算機模擬分析了質子通過石墨烯和氮化硼二維材料的能壘，進一步對該過程給出了定量化的描述。

　　該發現有望為燃料電池和氫相關技術領域帶來革命性的變化。目前燃料電池采用的質子傳導膜普遍存在燃料滲透的問題，成為限制燃料電池技術進一步推廣應用的瓶頸，如采用石墨烯和氮化硼等單原子層二維材料作為質子傳導膜，可使得現代燃料電池變得更輕薄、更高效。該研究成果不僅為人類認知石墨烯及氮化硼的材料特性帶來了全新發現，而且將二維納米材料和氫相關技術這兩大熱點領域緊密地聯系了起來。

　　Nature網站以首頁頭條形式第一時間對該成果進行了報道。同期新聞視點欄目也對該成果進行了重點評論和展望。麻省理工學院Karnik教授在評論中指出，質子傳導膜是質子交換膜燃料電池的核心所在，該項研究取得的突破性進展在理論上已經達到美國能源部設定的2020年質子交換膜輸運性能目標。