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　　质子交流膜燃料电池能够高效地将氢能转化为电能，是一种清洁无碳排放的能量转化设备。质子交流膜燃料电池首要部件包含质子交流膜(PEM)、催化层(CL)、气体分散层(GDL)和双极板(BP)，其间气体分散层有着支撑催化剂，确保气体均匀传输，有用排出产生的水等效果。因为气体经双极板终究抵达催化剂产生电化学反响过程中存在着传质阻力，极度影响质子交流膜燃料电池的输出功率，因此规划适宜的气体分散层结构能够轻松又有用地提高输出功率。气体分散层包含支撑层(SL)和微孔层(MPL)，传统根据碳黑的微孔层有着高外表粗糙度，传质阻力大，简单水淹，因此限制着其功能的提高。

　　图1. 质子交流膜燃料电池结构及水气输运机理 (a) 质子交流膜燃料电池结构，这中心还包含双极板(BP)、SL(支撑层)、MPL(微孔层)、CL(催化层)、PEM(质子交流膜)；(b)传统根据碳黑的微孔层简单水淹 (c)在微孔层中参加石墨烯后有利于水的输运然后按捺水淹，其间绿色箭头代表水输运途径，蓝色箭头代表气体输运途径

　　近来，北京大学王路达教授在JPC Letters上宣布了石墨烯外表滑移促进的高功能质子交流膜燃料电池微孔层规划。受水和气体在石墨烯外表和碳纳米管内滑移行为的启示，石墨烯外表的水的滑移行为有利于气体分散层中水的排出，然后有望削减水淹现象的产生。在传统根据碳黑的微孔层中参加仅1%质量分数的超临界流体剥离制备的石墨烯，微孔层外表的裂缝比较碳黑微孔层削减了60%，面电阻削减了3%，气体透过率增加了近3倍。

　　将上述微孔层与商用质子交流膜和催化剂拼装成燃料电池，在电池温度80°C，阴极相对湿度为100%、60%、20% 条件下测定氢气-空气燃料电池的极化曲线和电化学阻抗曲线所示。参加石墨烯的微孔层拼装成的燃料电池功率密度相对传统碳黑石墨烯有着显着提高，尤其在高相对湿度条件下提高了45%。经过电化学阻抗谱能够得知，输出功率的提高来源于欧姆丢失和传质丢失的减小。石墨烯的参加一方面削减了微孔层的裂缝，加之其高电子迁移率，然后减小了欧姆丢失。另一方面水在石墨烯外表的滑移有利于水的排出，为气体分散开释空间，然后减小了传质丢失。

　　图2. 燃料电池功能测验效果 (a)在不一样的温度下，不参加和参加超临界流体剥离的石墨烯(s-Gr)微孔层拼装的质子交流膜燃料电池的极化曲线；(b)(a)中对应的上限功率密度；(c)从电化学阻抗谱中提取的欧姆电阻(RΩ)、电荷传递电阻(Rct)和质量传递电阻(Rmt)。(d-f)在不同湿度条件下的电化学阻抗谱：(d)阴极露点为45°C，(e)阴极露点为68°C， (f)阴极露点为80°C。

　　研讨团队规划了一种含有超临界流体剥离石墨烯的微孔层，比较于传统根据碳黑的微孔层，它具有改进的水气传输特性。引进超临界流体剥离石墨烯使得水的传输速率提高了5倍，这归功于水在石墨烯外表的滑移行为。经过这样规划微孔层拼装的质子交流膜燃料电池在高湿度条件下比传统的根据碳黑的微孔层拼装的燃料电池输出功率高出45%。经过石墨烯等纳米资料外表滑移性质来促进水气传输，为制备高功能环保的燃料电池供给了传质问题的解决方案，一起促进关于多孔系统传质机理的了解。

　　相关论文宣布在JPC Letters上，北京石墨烯研讨院刘烨助理研讨员、北京大学博士研讨生吴宁然为文章的一起榜首作者，王路达教授为通讯作者。

　　王路达为北京大学集成电路学院及前沿穿插学院纳米科技中心特聘研讨员，博士生导师，当选国家高层次青年人才项目，有多年从事微纳米碳资料在纳流体、微纳传感器和二维别离膜方面的研讨经历。课题组专心于在石墨烯及二维超薄膜上微纳流体输运机理研讨和分子原子等级的输运调控，开发了引进（亚）纳米孔的解耦合刻蚀办法；提出并规划了仿生质子孔和仿生钠离子通道；完成了大面积（∼15 × 10 cm2）纳米孔单/双层石墨烯别离膜；规划了具有高输出功率密度的燃料电池微孔层结构。课题组遵从基础研讨和使用探究偏重的开展思路，相关效果有望使用在微纳检测、海（咸）水淡化、有机别离和燃料电池等领域中。

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