质子“快递”纳米膜，让燃料电池更强劲

本文报道了一种面向高温应用的新型质子传导膜——GBP膜（石墨烯/氮化硼/磷酸复合膜）。传统质子交换膜（如Nafion）需充分吸水才能导电，因此高温下易失水失效；而现有高温替代方案（如磷酸掺杂聚苯并咪唑PBI膜）又存在酸流失快、性能衰减严重等问题。研究团队另辟蹊径：利用原子级薄的二维纳米片（经聚乙烯亚胺PEI功能化的单层石墨烯和氮化硼）作为基本单元，再用磷酸（PA）填充并‘桥接’纳米片之间的间隙，构建出具有纳米限域效应的双层结构膜。其中，上层为绝缘性氮化硼（阻隔电子泄漏），下层为高强度石墨烯（保障机械稳定性）；磷酸不仅提供质子载体，更在纳米通道内自发形成有序双层结构，构建密集的氢键网络。这种设计实现了两种高效质子传输机制的协同：一是质子直接穿透纳米片六元环空位（受热致褶皱与量子隧穿效应增强），二是质子沿磷酸氢键网络‘跳跃式’传输（Grotthuss机理）。实验证明，该膜在250°C无水条件下质子电导率达166毫西门子/厘米，远超多数同类材料；组装成氢燃料电池后，峰值功率密度达1011毫瓦/平方厘米，是常规PBI/PA膜的3倍；用于甲醇燃料电池时，在16摩尔/升高浓度甲醇下仍可输出502毫瓦/平方厘米，并显著抑制甲醇穿越（仅为PBI/PA膜的约1/10）。此外，膜在250°C连续运行150小时后性能保持率高达93%，展现出优异的长期稳定性与实用潜力。整个制备工艺（球磨剥离、真空抽滤、溶液浸渍）具备规模化基础，为下一代高温、高效、耐用的电化学能源器件（如燃料电池、电解水、二氧化碳还原等）提供了新平台。