通过设计离子纳米通道的拓扑结构制备更清洁的燃料

材料牛注：科学家发明了一种离子交换薄膜，这种薄膜促进了燃料电池的发展，有助于人们解决全球变暖的难题。

在一个国际组织中工作的来自俄罗斯、法国、德国的科学家们发明了一种基于两亲性化合物的人造薄膜，这种薄膜可以将化学能转变为电能。这项发明发表在《物理化学》、《化学物理》（文章名为“在楔形两亲性分子的中间相中设计离子交换通道的拓朴结构”）。这种薄膜可能应用于燃料电池和分离提纯工艺。该项研究由莫斯科理工学院的有机和有机掺杂材料实验室开展，该实验室成立于2014年。

图1.孔径的大小直接与燃料电池的效率有关。这些具有选择透过性的孔就像相机的光圈，决定了过滤的效率和燃料电池的能量转换效率

燃料电池包含单独的两个电极，与之联系最为紧密的是原电池（一次电池）和蓄电池（二次电池）。一次电池将氧化剂和还原剂反应的化学能转变为电能，并在反应物消耗完的时候停止供电。蓄电池能够从外部获得电能并将其转变为化学能，然后在需要的时候再将化学能转变为电能，实现循环放电。

燃料电池也是一种电化学发生装置，它从外界获得反应的原材料，这些原材料为还原剂（通常为氢气、甲醇、甲烷）和氧化剂（氧气）。从外界获得原材料就意味着只要结构完整，我们就可以不断地从燃料电池中获得电能。

反应器（燃料电池）的主要部件是阴极和阳极，由离子交换薄膜分隔开。

在阴极，还原剂发生解离，电子从氢原子中（或者其他还原剂）解离出来，产生带正电的氢离子，即质子。薄膜只允许质子通过，而会阻拦电子，电子必须通过外部电路“绕远路”。也就是说，只有当电子通过外部电路（燃料电池供电的设备）才能到达阳极，在阳极，电子与氧原子“相遇”而形成氧负离子，之后与通过薄膜的质子结合生成水。被迫“绕过薄膜”的电子会在外部电路产生可被使用的电流。

为什么我们需要燃料电池和为什么燃料电池未被广泛应用？

燃料电池使用的燃料也可以在传统内燃机中燃烧，也会产生产生物质，用氢气的时候会产生水蒸汽，当使用有机燃料时会产生水蒸汽和二氧化碳。然而，和传统内燃机相比燃料电池至少有两个优点：1.反应发生在更低的温度条件下，且不会产生有害物质，例如氮氧化物；2.燃料电池的能量转化效率更高。汽油和柴油发动机的效率遵循热力学定理（定理表明其效率不超过80%），但是这一定理并不适用于燃料电池。

在众多的科技产品中，燃料电池至少在取代内燃机的队伍中占有一席之地。然而，在此之前，一些特殊的基础设施需要落实到位（氢气要能够储存在特殊的地方，需要有特殊的补给站、能承受高压的管道、燃料箱等），对于燃料电池本身也有许多需要提升的地方。

在提升燃料电池性能方面，选择合适的薄膜十分重要，用于制作薄膜的材料必须要价格低廉、具有化学稳定性、技术先进、其含有的孔必须具有足够的选择透过性。研究者们并不能随意地选择材料，他们必须有目的性进行实验来创造出具有预定性能的孔隙结构材料。

分子工程

来自莫斯科理工学院、化学物理问题研究所、莫斯科大学、材料科学研究所的米卢斯、亚琛工业大学大学互动材料研究所的DWI – Leibniz的科学家已经知道如何在起过滤作用的特定分子上生成孔隙，并且孔隙的大小能够使电池表现出最佳性能。

能够自组装成复杂结构的分子因为其电学性质或许可以用于制作薄膜。在这些分子的一端是极性化学基团，例如带电基团，在水中它自动地转变为带有电荷的水分子；在另一端是非极性的烃基“尾巴”，因为其电学性质这一尾巴会尽可能地远离水分子，这种机理就是形成肥皂泡薄膜、细胞膜和烹饪棒上脂肪滴的原因。

科学家们能够预测具有孔隙的薄膜的形成，这些孔隙是根据苯磺酸结构信息生成的；还能够预测孔隙的几何结构和物理化学信息。通过利用这些信息，科学家们第一次做出了基于偶氮和偶氮钠盐混合物性能的数学模型。在这些试验中，科学家们在一定温度和湿度下得到了许多不同种类的离子通道，之后又用紫外线照射来促进其进行聚合反应。

科学家们测试了使用这种方法制作出来的聚合物的离子选择透过性，这样一来，就可以寻找到最适合燃料电池的聚合物薄膜。

从催化剂到分子

现代用于生成分子水平结构聚合物的方法不再仅仅涉及计算机模型技术或根据逻辑选择合成的环境条件。研究员们现在可以直接地观察分子或超分子的结构来控制它们所生成的产物。

生成的混合物的结构通过使用同步加速辐射源进行X射线衍射分析确定，这种方法只有当科学家们不能通过光学显微镜观察物体时才会使用，而制作的纳米孔的直径只有几纳米，比可见光波长小十倍以上。

在格勒诺布尔的欧洲同步辐射装置（法国），科学家使用X光衍射技术来研究聚合物。当X光照射在样品上时会产生衍射图谱，这种图谱使得科学家可以准确地确定聚合物的孔径大小。

全球变暖和分子工程

MIPT专家们积极参与的研究并不仅仅是向我们展示了可通过某种分子得到一种很前沿的材料或者这项研究所使用的方法，更是提醒我们从另一个角度看待科研问题。最近在巴黎签署的减少碳排量的全球变暖问题上，第一眼看上去或许和有机化学、X射线衍射分析技术无关，但这两项技术恰恰正是解决这一难题的利刃。

现在，几乎所有的科学团体一致承认大气中二氧化碳浓度的增加导致了全球平均气温的升高。二氧化碳可以阻碍热量的散失，而二氧化碳主要是由有机燃料的燃烧产生，所以现在急需一种不需要石油、煤、天然气的技术。然而，如果蓄电池、电动马达、使用燃料电池的电动车不能很好地替代内燃机，就不可能完全地改变现有的基础设备。

燃料电池虽不能解决全球变暖问题但却是可能的解决方案中的一部分，也就是说研究具有自组装性质代号为A-Na and Azo-Na的结构应该成为一个全球性的任务。即使这项研究的作者并未完全解释清楚，但许多科学研究的成果通常会以一种意想不到的方式影响着人们的生活。

材料人网编辑部：素材：封蕾 翻译：胡旭辉 校对：丁俊豪 审核：赵丹

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