一种提高直接乙醇燃料电池效率的新材料

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该材料由嵌入式纳米颗粒的全氟磺酸膜（Nafion）组成。（图片来源：B.Matos/IPEN）

乙醇的体积能量密度（6.7 kWh/L）是氢气（1.3 kWh/L）的五倍，可以用作燃料电池更安全的发电燃料。特别是在巴西，该国以可再生方式从甘蔗中生产低成本乙醇，因此对研发乙醇燃料电池有极大的兴趣。理论上讲，乙醇燃料电池的效率可以达到96％，但实际上，由于各种原因的限制，即使在最大功率密度下，它的效率也仅能达到30％。因此，其中还有很大的提升空间。

含纳米粒子的全氟磺酸膜（Nafion）

由巴西IPEN研究所的Bruno Matos博士领导的研究小组正在研究可应用于直接乙醇燃料电池的新型复合膜。一种有潜力的解决方案是合成新的高分子复合电解质材料，以替代目前最先进的聚合物电解质，如全氟磺酸膜（Nafion）。Matos和他的团队使用熔融挤出工艺生产出了添加钛酸盐纳米颗粒的全氟磺酸（Nafion）复合膜，其中纳米颗粒已被磺酸基团官能化。

使用BESSY II进行红外表征

Matos的团队在BESSY II上运行红外引发同步加速器（IRIS, Infrarotinitiative Synchrotronstrahlung）产生红外光束，对四种成分不同的全氟磺酸（Nafion）复合膜进行了彻底的分析。小角度X射线散射（small-angle X-ray scattering）测量结果证实，钛颗粒与全氟磺酸膜（Nafion）的离聚物基体具有协同作用。

提高质子传导率

他们使用红外光谱观察到，在官能化的纳米颗粒与磺酸基团之间形成了化学桥。此外，通过跟踪质子沿着离子簇的运动轨迹，他们发现即使在高浓度的纳米颗粒下，复合膜中质子传导率均有所提升。他们使用红外光谱观察到，在官能化的纳米颗粒与磺酸基团之间形成了化学桥。此外，通过跟踪质子沿着离子簇的运动轨迹，他们发现即使在高浓度的纳米颗粒下，复合膜中质子传导率均有所提升。

熔融挤出工艺的优势。

Matos指出：“这种复合膜可以通过熔融挤出加工成型，从而利于其工业化大规模生产。”

翻译：周蕴

审校：郝豪

引进来源：德国研究中心亥姆霍兹协会

引进链接：https://phys.org/news/2020-05-materials-efficiency-ethanol-fuel-cells.html

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