通過設計離子納米通道的拓撲結構制備更清潔的燃料

材料牛注：科學家發明了一種離子交換薄膜，這種薄膜促進了燃料電池的發展，有助于人們解決全球變暖的難題。

在一個國際組織中工作的來自俄羅斯、法國、德國的科學家們發明了一種基于兩親性化合物的人造薄膜，這種薄膜可以將化學能轉變為電能。這項發明發表在《物理化學》、《化學物理》（文章名為“在楔形兩親性分子的中間相中設計離子交換通道的拓樸結構”）。這種薄膜可能應用于燃料電池和分離提純工藝。該項研究由莫斯科理工學院的有機和有機摻雜材料實驗室開展，該實驗室成立于2014年。

圖1.孔徑的大小直接與燃料電池的效率有關。這些具有選擇透過性的孔就像相機的光圈，決定了過濾的效率和燃料電池的能量轉換效率

燃料電池包含單獨的兩個電極，與之聯系最為緊密的是原電池（一次電池）和蓄電池（二次電池）。一次電池將氧化劑和還原劑反應的化學能轉變為電能，并在反應物消耗完的時候停止供電。蓄電池能夠從外部獲得電能并將其轉變為化學能，然后在需要的時候再將化學能轉變為電能，實現循環放電。

燃料電池也是一種電化學發生裝置，它從外界獲得反應的原材料，這些原材料為還原劑（通常為氫氣、甲醇、甲烷）和氧化劑（氧氣）。從外界獲得原材料就意味著只要結構完整，我們就可以不斷地從燃料電池中獲得電能。

反應器（燃料電池）的主要部件是陰極和陽極，由離子交換薄膜分隔開。

在陰極，還原劑發生解離，電子從氫原子中（或者其他還原劑）解離出來，產生帶正電的氫離子，即質子。薄膜只允許質子通過，而會阻攔電子，電子必須通過外部電路“繞遠路”。也就是說，只有當電子通過外部電路（燃料電池供電的設備）才能到達陽極，在陽極，電子與氧原子“相遇”而形成氧負離子，之后與通過薄膜的質子結合生成水。被迫“繞過薄膜”的電子會在外部電路產生可被使用的電流。

為什么我們需要燃料電池和為什么燃料電池未被廣泛應用？

燃料電池使用的燃料也可以在傳統內燃機中燃燒，也會產生產生物質，用氫氣的時候會產生水蒸汽，當使用有機燃料時會產生水蒸汽和二氧化碳。然而，和傳統內燃機相比燃料電池至少有兩個優點：1.反應發生在更低的溫度條件下，且不會產生有害物質，例如氮氧化物；2.燃料電池的能量轉化效率更高。汽油和柴油發動機的效率遵循熱力學定理（定理表明其效率不超過80%），但是這一定理并不適用于燃料電池。

在眾多的科技產品中，燃料電池至少在取代內燃機的隊伍中占有一席之地。然而，在此之前，一些特殊的基礎設施需要落實到位（氫氣要能夠儲存在特殊的地方，需要有特殊的補給站、能承受高壓的管道、燃料箱等），對于燃料電池本身也有許多需要提升的地方。

在提升燃料電池性能方面，選擇合適的薄膜十分重要，用于制作薄膜的材料必須要價格低廉、具有化學穩定性、技術先進、其含有的孔必須具有足夠的選擇透過性。研究者們并不能隨意地選擇材料，他們必須有目的性進行實驗來創造出具有預定性能的孔隙結構材料。

分子工程

來自莫斯科理工學院、化學物理問題研究所、莫斯科大學、材料科學研究所的米盧斯、亞琛工業大學大學互動材料研究所的DWI – Leibniz的科學家已經知道如何在起過濾作用的特定分子上生成孔隙，并且孔隙的大小能夠使電池表現出最佳性能。

能夠自組裝成復雜結構的分子因為其電學性質或許可以用于制作薄膜。在這些分子的一端是極性化學基團，例如帶電基團，在水中它自動地轉變為帶有電荷的水分子；在另一端是非極性的烴基“尾巴”，因為其電學性質這一尾巴會盡可能地遠離水分子，這種機理就是形成肥皂泡薄膜、細胞膜和烹飪棒上脂肪滴的原因。

科學家們能夠預測具有孔隙的薄膜的形成，這些孔隙是根據苯磺酸結構信息生成的；還能夠預測孔隙的幾何結構和物理化學信息。通過利用這些信息，科學家們第一次做出了基于偶氮和偶氮鈉鹽混合物性能的數學模型。在這些試驗中，科學家們在一定溫度和濕度下得到了許多不同種類的離子通道，之后又用紫外線照射來促進其進行聚合反應。

科學家們測試了使用這種方法制作出來的聚合物的離子選擇透過性，這樣一來，就可以尋找到最適合燃料電池的聚合物薄膜。

從催化劑到分子

現代用于生成分子水平結構聚合物的方法不再僅僅涉及計算機模型技術或根據邏輯選擇合成的環境條件。研究員們現在可以直接地觀察分子或超分子的結構來控制它們所生成的產物。

生成的混合物的結構通過使用同步加速輻射源進行X射線衍射分析確定，這種方法只有當科學家們不能通過光學顯微鏡觀察物體時才會使用，而制作的納米孔的直徑只有幾納米，比可見光波長小十倍以上。

在格勒諾布爾的歐洲同步輻射裝置（法國），科學家使用X光衍射技術來研究聚合物。當X光照射在樣品上時會產生衍射圖譜，這種圖譜使得科學家可以準確地確定聚合物的孔徑大小。

全球變暖和分子工程

MIPT專家們積極參與的研究并不僅僅是向我們展示了可通過某種分子得到一種很前沿的材料或者這項研究所使用的方法，更是提醒我們從另一個角度看待科研問題。最近在巴黎簽署的減少碳排量的全球變暖問題上，第一眼看上去或許和有機化學、X射線衍射分析技術無關，但這兩項技術恰恰正是解決這一難題的利刃。

現在，幾乎所有的科學團體一致承認大氣中二氧化碳濃度的增加導致了全球平均氣溫的升高。二氧化碳可以阻礙熱量的散失，而二氧化碳主要是由有機燃料的燃燒產生，所以現在急需一種不需要石油、煤、天然氣的技術。然而，如果蓄電池、電動馬達、使用燃料電池的電動車不能很好地替代內燃機，就不可能完全地改變現有的基礎設備。

燃料電池雖不能解決全球變暖問題但卻是可能的解決方案中的一部分，也就是說研究具有自組裝性質代號為A-Na and Azo-Na的結構應該成為一個全球性的任務。即使這項研究的作者并未完全解釋清楚，但許多科學研究的成果通常會以一種意想不到的方式影響著人們的生活。

材料人網編輯部：素材：封蕾 翻譯：胡旭輝 校對：丁俊豪 審核：趙丹

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