Một nhóm nghiên cứu từ Đại học Giao thông Thượng Hải đã công bố một nghiên cứu đột phá trên tạp chí Science Advances， phát triển thành công màng trao đổi proton axit perfluorosulfonic chuỗi bên ngắn （SSC－PFSA） và xây dựng được cấu trúc kênh ion kiểu “dòng chảy－hồ chứa”。 Điều này làm tăng đáng kể hiệu suất pin nhiên liệu trong điều kiện nhiệt độ cao và độ ẩm thấp， cung cấp một giải pháp sáng tạo cho thách thức “vận hành ở nhiệt độ cao， độ ẩm thấp” trong ngành công nghiệp pin nhiên liệu。
I。 Phân tích cấu trúc “Dòng chảy－Hồ chứa”
Sử dụng công nghệ tán xạ tại chỗ bức xạ synchrotron， nhóm nghiên cứu đã quan sát sự tiến hóa cấu trúc của vật liệu màng trong quá trình tạo màng theo thời gian thực， phát hiện ra một vi cấu trúc chưa từng thấy trước đây：
“Dòng chảy”： Chỉ các kênh ion nhỏ với đường kính khoảng 2－3 nm， tương tự như mao mạch， chức năng cốt lõi là tạo điều kiện cho sự vận chuyển proton nhanh chóng， đảm bảo hiệu quả dẫn proton cao。
“Hồ chứa”： Chỉ các vùng ưa nước kích thước khoảng 10 nm， có khả năng hấp phụ và lưu trữ một lượng lớn nước， ngăn ngừa hiệu quả tình trạng mất nước của màng trong môi trường nhiệt độ cao và giải quyết vấn đề quản lý nước trong điều kiện nhiệt độ cao， độ ẩm thấp。
II。 Dữ liệu hiệu suất ấn tượng
So với màng Nafion truyền thống， màng SSC－PFSA đạt được bước nhảy vọt về chất lượng trong một số chỉ số chính， như thể hiện trong bảng dưới đây：
|
Chỉ số |
Màng SSC－PFSA |
Màng Nafion |
Cải thiện |
|---|---|---|---|
|
Độ dẫn proton （95％ RH） |
193 mS／cm |
～150 mS／cm |
～28％ |
|
Độ dẫn proton （40％ RH） |
40 mS／cm |
～20 mS／cm |
～100％ |
|
Nhiệt độ chuyển thủy tinh |
134°C |
106°C |
Cao hơn đáng kể |
|
Mật độ công suất （110°C， 25％ RH） |
0。279 W／cm² |
0。153 W／cm² |
82。3％ |
III。 Lý do cốt lõi cho hiệu suất vượt trội
- Khả năng trao đổi ion cao hơn： Cấu trúc chuỗi bên ngắn cho phép phân bố nhóm sulfonic acid dày đặc hơn， nâng cao hiệu quả khả năng dẫn proton。
- Độ Ổn Định Cơ Học và Nhiệt Độ Cao: Trọng lượng phân tử lớn và hành vi kết tinh giúp tăng cường cấu trúc màng, với nhiệt độ chuyển thủy tinh cao hơn đáng kể so với màng truyền thống.
- Năng Lượng Kích Hoạt Thấp Hơn cho Vận Chuyển Proton: Năng lượng kích hoạt là ０．０６９ eV， thấp hơn so với ０．０８４ eV của màng Nafion， cho thấy sự di chuyển proton dễ dàng hơn và hiệu suất dẫn điện cao hơn．
- Khả Năng Quản Lý Nước Ưu Việt: Tốc độ hấp thụ nước nhanh hơn ９３％ so với màng Nafion， cân bằng độ ẩm hiệu quả để tránh tình trạng màng bị khô hoặc ngập nước．
IV． Triển Vọng Ứng Dụng Rộng Rãi và Ý Nghĩa Ngành
Công nghệ này không chỉ phù hợp cho pin nhiên liệu xe， mà còn thể hiện tiềm năng lớn trong các kịch bản nhiệt độ cao， công suất lớn như xe tải hạng nặng， máy bay không người lái và nguồn điện dự phòng． Nhóm nghiên c cứu đã phát triển một pin đơn có mật độ công suất １．５８８ W/cm²， đạt mức cao nhất trong các pin nhiên liệu dựa trên PFSA hiện nay．
Sự xuất hiện của màng SSC-PFSA đại diện cho một bước đột phá toàn diện trong lĩnh vực pin nhiên liệu， từ “thiết kế cấu trúc” đến “hiện thực hóa hiệu suất”． Ý nghĩa của nó nằm ở ba khía cạnh： thứ nhất， mô hình “dòng chảy-hồ chứa” cung cấp một mô hình mới cho thiết kế vật liệu sau này， chứng minh rằng vi cấu trúc quyết định hiệu suất vĩ mô； thứ hai， các kỹ thuật đặc trưng hóa tại chỗ như bức xạ synchrotron là chìa khóa để mở ra “hộp đen” của quá trình tạo màng； thứ ba， sự kết hợp giữa công nghiệp， học thuật và nghiên cứu sẽ đẩy nhanh quá trình chuyển đổi thành tựu phòng thí nghiệm sang công nghiệp hóa， thúc đẩy ngành công nghiệp pin nhiên liệu tiến tới một giai đoạn phát triển mới．
