科学家揭开燃料电池分离膜（Nafion）的奥秘

从航天器到远程气象站, 氢燃料电池为这些设施提供了极具吸引力的清洁可持续的能源供应。但是用于分离燃料电池内的阳极和阴极的Nafion膜在与水相互作用时会发生体积膨胀的问题，进而导致燃料电池效率降低。

如今，来自俄罗斯和澳大利亚的合作已经表明，这种Nafion分离膜正常状态下只是部分地展开了它的一些组成纤维，然而在水相中，材料的纤维会从表面突出到数百微米长。

这项研究由澳大利亚国立大学的Barry Ninham教授领导的一个来自澳大利亚和俄罗斯的联合实验小组共同完成，Barry Ninham教授是胶体和界面科学知名专家。他们的研究结果于本周在AIP出版社的Journal of Chemical Physics上发表。

研究小组对这个项目的研究来源于一个假设，该假设利用一种新的水状态来解释Nafion膜的膨胀现象。同样的，他们是第一个描述聚合物纤维在与水相互作用时从膜表面延伸的生长现象的研究小组。他们的研究证实纤维的数量随着水中氘浓度的增加而增加。

“为了增加我们对这些膜的理解，我们需要描述氘化水与聚合物的分子水平间的相互作用，”Bunkin说。 “现在我们已经知道了这个研究'禁区'的结构，我们可以通过研究离子特异性对其组织和功能的影响所引起的变化来定制Nafion分离膜的结构及其电化学性质。”

Nafion分离膜是迄今为止在燃料电池中使用的性能最高的市售氢氧化物质子交换膜。其多孔性质允许电解质溶液进行高纯度浓缩，同时将阳极与阴极分离，这将允许电子流动在燃料电池中并产生能量。

研究人员发现，通过解开表面结构，分离膜对环境水中的氘含量特别敏感。聚合物纤维从膜延伸到水中。这种效果在水中最明显，氘含量在百万分之100到1,000之间。

在这项研究中，该团队开发了一种专门的激光仪器（光致发光紫外光谱仪）来表征沿膜 -水界面的聚合物纤维。虽然由于仪器的空间限制而没有直接观察到单根纤维，但该团队已经能够可靠地检测到它们在向水中生长。

“这项工作的重要性在于，它可能为生物学和能源生产的一些非常基本的领域提供了一个研究方向，目前我们对此没有任何研究认知，”Bunkin说。