150多年前，自鉛酸電池問世以來，關(guān)于革新電池技術(shù)的大膽觀點(diǎn)就一直存在。 近日，英國曼徹斯特大學(xué)在《自然雜志》上發(fā)布了一項(xiàng)最新研究，石墨烯薄膜可以用來提取大氣中的氫氣，將其應(yīng)用到燃料電池領(lǐng)域會為空氣發(fā)電技術(shù)帶來可能。科學(xué)界表示這是電池技術(shù)史上最具革命性的進(jìn)步。

“這項(xiàng)研究操作起來非常簡單，并且很有發(fā)展前景。”該項(xiàng)目的一位博士后研究者Sheng Hu教授說，“如今石墨烯已可以生產(chǎn)成一平方米的薄片，它在商用燃料電池上的應(yīng)用宜早不宜遲。”

科研人員使用電子束曝光機(jī)分離石墨烯。圖片來源：網(wǎng)絡(luò)

      2004年在曼徹斯特大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里，Andrew Geim和Kostya Novoselov領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)成功從石墨中分離出石墨烯，證明石墨烯是可以單獨(dú)存在的，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。自那時起，石墨烯就一直被視為科技領(lǐng)域的扭轉(zhuǎn)乾坤者。

石墨烯與鉛筆中的石墨擁有相同的分子結(jié)構(gòu)。圖片來源：網(wǎng)絡(luò)

      該項(xiàng)研究的核心就在于石墨烯卓越的物理特性，它與普通鉛筆中的石墨擁有同樣的原子結(jié)構(gòu)。作為目前科學(xué)界發(fā)現(xiàn)的第一個二維晶體，石墨烯是最輕薄且最堅(jiān)硬的物質(zhì)，它只有一個碳原子的厚度，比人類的頭發(fā)還要細(xì)100萬倍。它比鉆石堅(jiān)硬，斷裂強(qiáng)度是鋼材的200倍。同時它的彈性和延展性也十分出彩，拉伸幅度能達(dá)到自身尺寸的20%，石墨烯幾乎是透明的，具有優(yōu)于銅的超導(dǎo)電性。石墨烯的物理屬性在各方面都具有開拓性，它注定掀起一場技術(shù)革命，從智能手機(jī)、可穿戴技術(shù)到綠色技術(shù)、醫(yī)療方面，無所不包。

一個二氧化氮分子被隔在單層石墨烯的外部。石墨烯的高阻隔性是得到公認(rèn)的。圖片來源：網(wǎng)絡(luò)

         素以高阻隔性著稱石墨烯膜一直被認(rèn)為能夠隔絕任何分子和原子，曼徹斯特大學(xué)的研究者們發(fā)現(xiàn)石墨烯卻對質(zhì)子“網(wǎng)開一面”，質(zhì)子能輕易地穿過這個超薄晶體，若是在持續(xù)升高的溫度和使用鉑基催化劑的情況下，效果更佳。這一特性石墨烯可能成為燃料電池的質(zhì)子傳導(dǎo)膜的新型理想材料。

     目前最為普遍的燃料電池以氧和氫作為燃料，將輸入的化學(xué)能轉(zhuǎn)直接為電能。質(zhì)子傳導(dǎo)膜是現(xiàn)代燃料電池的核心技術(shù)，然而當(dāng)前應(yīng)用于燃料電池的質(zhì)子傳導(dǎo)膜效率相對較低，且易發(fā)生燃料滲透，導(dǎo)致污染。

    “當(dāng)你了解石墨烯膜的工作原理后，其實(shí)設(shè)置非常簡單，只要在含有氫氣的環(huán)境中，釋放小電流收集純氫，然后收集到的氫就在燃料電池中燃燒發(fā)電了。”Sheng Hu教授說。

一個正在收集氫氣的石墨烯晶體的分子結(jié)構(gòu)，每個（藍(lán)色的）碳原子都依附著（紅色的）氫原子。圖片來源：網(wǎng)絡(luò)

石墨烯質(zhì)子傳導(dǎo)膜只有質(zhì)子才能穿過，因此能夠高效地收集到大氣中的氫氣，且純度非常高，顯著提高發(fā)電效率與耐用度。如今的燃料電池所使用的燃料氫氣都是從化石燃料中獲得的，而采用石墨烯的燃料電池只需要以空氣中氫氣為原料，建造出可移動的零污染空氣發(fā)電機(jī)離我們并不遙遠(yuǎn)。

目前科學(xué)家們只使用小型石墨烯膜做研究，因此成功流入的氫氣還很微量。這項(xiàng)研究尚處于起步階段，它使得科學(xué)界了解到石墨烯膜的現(xiàn)有前景，而建造出實(shí)際應(yīng)用的氫收集機(jī)器還需要進(jìn)一步的努力。

研究員Rahul R.Nair教授展示他的研究樣本，一個一微米厚的石墨烯氧化膜。圖片來源：網(wǎng)絡(luò)

除了能夠使空氣發(fā)電技術(shù)成為現(xiàn)實(shí)，石墨烯還有其他的新用途。

石墨烯優(yōu)良的彈性和延展性使它成為制造太陽能電池最理想的候選者。西班牙的一家光子科學(xué)研究所的最新研究表明，相比于硅，石墨烯能夠更高效地進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化。硅每吸收一個光子只能產(chǎn)生一個電流電子，而石墨烯能產(chǎn)生多個電子。

放大了的表面被鉆了孔的單層石墨烯的研究樣本，肉眼可見光穿過薄膜。圖片來源：網(wǎng)絡(luò)

    盡管目前石墨烯應(yīng)用于太陽能電池領(lǐng)域尚處于理論階段，但它潛在的可能性是驚人的。石墨烯太陽能電池能實(shí)現(xiàn)60%的光電轉(zhuǎn)換率，是目前公認(rèn)效率最大的晶體硅太陽能電池的兩倍。

     石墨烯輕薄而堅(jiān)硬的屬性可以為汽車、飛機(jī)生產(chǎn)商提供更優(yōu)質(zhì)的生產(chǎn)材料，石墨烯制成的運(yùn)輸工具將大大減低燃油消耗；研究表明石墨烯可以將藥品傳送到人體的特定位置，在治療腦部疾病方面大有可為；石墨烯薄膜還可以用來過濾海水，提取其中的鹽分和其他雜質(zhì)，凈化出可飲用水。

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