ทีมมหาวิทยาลัยเซี่ยงไฮ้เจียวทงใน *Science Advances*: การวิจัยเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนแบบ "สตรีม-เรซर्वัวร์"

ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยเซี่ยงไฮ้เจียวทงเผยแพร่งานวิจัยที่สร้างความก้าวหน้าหน้าครั้งสำคัญในวารสาร Science Advances โดยได้พัฒนาเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนชนิดกรดเพอร์ฟลูออโรซัลโฟนิกโซ่ข้างสั้น (SSC-PFSA) และสร้างโครงสร้างช่องทางไอออนแบบ "ลำธาร-อ่างเก็บน้ำ" สำเร็จ โครงสร้างนี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงอย่างมีนัยสำคัญภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูงและความชื้นต่ำ นำเสนอแนวทางใหม่ในการแก้ไขปัญหาการทำงาน "ที่อุณหภูมิสูงและความชื้นต่ำ" ในอุตสาหกรรมเซลล์เชื้อเพลิง

I. การวิเคราะห์โครงสร้าง "ลำธาร-อ่างเก็บน้ำ"

ด้วยการใช้เทคโนโลยีการกระเจิงแบบซินโครตรอนเรดิเอชันในสถานที่จริง ทีมวิจัยสามารถสังเกตวิวัฒนาการโครงสร้างของวัสดุเมมเบรนระหว่างกระบวนการขึ้นรูปฟิล์มแบบเรียลไทม์ และค้นพบโครงสร้างจุลภาคที่ไม่เคยพบเห็นมาก่อน:

"ลำธาร": หมายถึงช่องทางไอออนขนาดเล็กที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 2–3 นาโนเมตร คล้ายกับหลอดเลือดฝอย ซึ่งมีหน้าที่หลักในการอำนวยความสะดวกในการขนส่งโปรตอนอย่างรวดเร็ว เพื่อรับประกันประสิทธิภาพสูงของการนำโปรตอน

"อ่างเก็บน้ำ": หมายถึงบริเวณไฮโดรฟิลิกที่มีขนาดประมาณ 10 นาโนเมตร ซึ่งสามารถดูดซับและกักเก็บน้ำได้ปริมาณมาก ช่วยป้องกันการสูญเสียน้ำจากเมมเบรนในสภาพแวดล้อมอุณหภูมิสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพ และแก้ไขปัญหาการจัดการน้ำภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูงและความชื้นต่ำ

II. ข้อมูลประสิทธิภาพที่น่าประทับใจ

เมื่อเปรียบเทียบกับเมมเบรน Nafion แบบดั้งเดิม เมมเบรน SSC-PFSA บรรลุความก้าวหน้าหน้าอย่างก้าวกระโดดในหลายตัวชี้วัดสำคัญ ดังแสดงในตารางด้านล่าง:

III. เหตุผลหลักของประสิทธิภาพที่เหนือกว่า

1. ความจุในการแลกเปลี่ยนไอออนที่สูงขึ้น: โครงสร้างโซ่ข้างสั้นช่วยให้กลุ่มซัลโฟนิกกระจายตัวหนาแน่นมากขึ้น ซึ่งช่วยเพิ่มความสามารถในการนำโปรตอนได้อย่างมีประสิทธิภาพ
2. ความเสถียรทางกลและความร้อนที่เพิ่มขึ้น: น้ำหนักโมเลกุลสูงและพฤติกรรมการตกผลึกช่วยเสริมความแข็งแรงให้กับเนื้อเยื่อแผ่น โดยมีอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะแก้วสูงกว่าแผ่นเยื่อแบบดั้งเดิมอย่างมีนัยสำคัญ
3. พลังงานกระตุ้นสำหรับการขนส่งโปรตอนที่ต่ำกว่า: พลังงานกระตุ้นอยู่ที่ 0.069 อิเล็กตรอนโวลต์ ซึ่งต่ำกว่าแผ่นเยื่อ Nafion ที่ 0.084 อิเล็กตรอนโวลต์ บ่งชี้ว่าว่าการเคลื่อนที่ของโปรตอนทำได้ง่ายขึ้นและมีประสิทธิภาพการนำไฟฟ้า้าที่สูงกว่า
4. ความสามารถในการจัดการน้ำที่ยอดเยี่ยม: อัตราการดูดซับน้ำเร็วกว่าแผ่นเยื่อ Nafion ถึง 93% ช่วยรักษาสมดุลความชื้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาแผ่นเยื่อแห้งหรือน้ำท่วม

IV. แนวโน้มการประยุกต์ใช้และความสำคัญทางอุตสาหกรรมที่กว้างขวาง

เทคโนโลยีนี้ไม่เพียงเหมาะสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงยานยนต์ แต่ยังแสดงศักยภาพสูงในสถานการณ์ที่ต้องการอุณหภูมิสูงและกำลังไฟมาก เช่น รถบรรทุกหนัก อากาศยานไร้คนขับ และแหล่งจ่ายไฟสำรอง ทีมวิจัยได้พัฒนาแบตเตอรี่เดี่ยวที่มีความหนาแน่นกำลัง 1.588 วัตต์/ตารางเซนติเมตร ซึ่งอยู่ในระดับสูงสุดของเซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้ PFSA ในปัจจุบัน

การเกิดขึ้นของแผ่นเยื่อ SSC-PFSA นับเป็นความก้าวหน้าหน้าอย่างครบวงจรในสาขาเซลล์เชื้อเพลิง ตั้งแต่ "การออกแบบโครงสร้าง" ไปจนถึง "การบรรลุสมรรถนะ" ความสำคัญอยู่ที่สามประการ ได้แก่ ประการแรก แบบจำลอง "ลำธาร-อ่างเก็บน้ำ" ให้แนวทางใหม่สำหรับการออกแบบวัสดุในอนาคต พิสูจน์ว่าโครงสร้างระดับจุลภาคกำหนดสมรรถนะระดับมหภาค ประการที่สอง เทคนิคการตรวจสอบลักษณะเฉพาะในสถานที่จริง เช่น การใช้แสงซินโครตรอน เป็นกุญแจสำคัญในการเปิด "กล่องดำ" ของกระบวนการเกิดแผ่นเยื่อ และประการที่สาม การบูรณาการระหว่างอุตสาหกรรม สถาบันการศึกษา และการวิจัย จะเร่งการเปลี่ยนผ่านความสำเร็จในห้องปฏิบัติการไปสู่การผลิตในระดับอุตสาหกรรม ผลักดันอุตสาหกรรมเซลล์เชื้อเพลิงไปสู่ขั้นตอนการพัฒนาที่ใหม่