高效清洁的新能源技术：氢燃料电池

众所周知，能源危机问题和环境问题是当今人类社会维持可持续发展所迫切需要解决的问题。为此，人们提出了各种以可再生清洁能源为基础的新技术替代传统的化石能源。在众多太阳能、核能、风能、潮汐能等众多新能源中，氢能由于其燃烧热值高、燃烧产物清洁、可循环使用的优点而受到人们的关注。

氢燃料电池是氢能利用的一种重要形式，是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置。电池工作过程中不需要进行燃烧，没有能量损耗，因此能量转换率可高达60%~80%，为普通内燃机的2~3倍。氢燃料电池的反应产物只有水，不会产生任何有害物质，对环境无污染。且电池运行安静，噪声大约只有55分贝，相当于人们正常交谈的水平，适合于室内安装，或是在室外对噪声有限制的地方。另外，电池装置可大可小，非常灵活，可广泛应用于汽车、航天等领域。

图一 氢燃料电池在汽车中的应用(图片来源于网络)

氢燃料电池的工作原理如图二所示。氢气在阳极失去电子并释放质子（H+），H+通过质子交换膜扩散到阴极；电子经外电路流向阴极，O2在阴极得到电子被还原为O2-离子，O2-离子与扩散过来的质子结合生成H2O，完成电池反应。该过程中，质子交换膜既要保证质子的顺利通过，又要防止其两侧的气体渗透，是氢燃料电池的核心器件，其性能对电池的工作效率具有决定性的影响。因此，如何提高质子交换膜的质子传导性能是近年来燃料电池领域中被广泛关注的研究课题。

图二 氢燃料电池工作原理示意图

当前广泛用作质子交换膜的主要是Nafion（全氟磺酸质子交换膜），其质子电导率可达0.1 S·cm-1。但Nafion膜的热稳定性较差，当电池的工作温度高于80 oC时，其质子电导率（σH+）会有显著下降。Nafion膜对电池工作环境的高要求，很大程度地限制了燃料电池技术的推广应用。研究发现，金属有机骨架（MOFs）材料作为优良的质子导体可与Nafion 复合并发挥两种材料的优势，获得更高性能的质子交换膜。但该方法存在两个突出的问题：一是影响MOFs质子传导性的因素复杂，构效关系不明确，提高MOFs质子传导性的方法不够明确；二是MOFs材料的机械强度差，不易加工，自身不适合做质子交换膜，与Nafion复合时也存在二者界面的兼容问题以及颗粒的聚集问题。

因此，本课题组从当前质子交换膜的实际问题出发，将从原子、分子层次上探索MOFs材料质子传导性能的构效关系，寻找控制材料颗粒尺寸的有效手段，优化质子交换复合膜的制作方法，旨在解决MOFs材料的质子传导性提升以及与Nafion 界面的兼容性的科学问题，提高复合膜的各项性能指标，解决当前PEM质子电导率不高、稳定性差的科学问题，进而提升燃料电池的工作效率、拓宽应用领域，为我国“发展新能源”、“减少碳排放”战略目标的实现贡献力量。

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导师简介

卢静，博士，副教授，硕士研究生导师。长期从事MOFs材料的合成、结构及其功能性研究工作，主持完成国家自然科学基金青年项目一项，参与完成国家自然科学基金面上项目一项，省自然科学基金两项。在国际学术期刊发表SCI论文30余篇。获得聊城大学2021年度教学观摩赛一等奖、2022年度教学创新大赛二等奖（副高组），聊城大学“光岳人才”第二层次奖励。目前，指导的已毕业硕士研究生7人，其中有4人顺利考取博士。

招生专业：无机化学

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