科學前瞻：石墨烯讓空氣發(fā)電技術成為現(xiàn)實

　　150多年前，自鉛酸電池問世以來，關于革新電池技術的大膽觀點就一直存在。

　　近來，英國曼徹斯特大學在《自然雜志》上發(fā)布了一項最新研究，石墨烯薄膜可以用來提取大氣中的氫氣，將其應用到燃料電池領域會為空氣發(fā)電技術帶來可能。科學界表示這是電池技術史上最具革命性的進步。

　　“這項研究操作起來非常簡單，并且很有發(fā)展前景?！痹擁椖康囊晃徊┦亢笱芯空逽heng Hu教授說，“如今石墨烯已可以生產成一平方米的薄片，它在商用燃料電池上的應用宜早不宜遲?！?/p>

　　科研人員使用電子束曝光機分離石墨烯

　　2004年在曼徹斯特大學的實驗室里，Andrew Geim和Kostya Novoselov領導的科研團隊成功從石墨中分離出石墨烯，證明石墨烯是可以單獨存在的，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。自那時起，石墨烯就一直被視為科技領域的扭轉乾坤者。

　　石墨烯與鉛筆中的石墨擁有相同的分子結構

　　該項研究的核心就在于石墨烯卓越的物理特性，它與普通鉛筆中的石墨擁有同樣的原子結構。

　　作為目前科學界發(fā)現(xiàn)的第一個二維晶體，石墨烯是最輕薄且最堅硬的物質，它只有一個碳原子的厚度，比人類的頭發(fā)還要細100萬倍。它比鉆石堅硬，斷裂強度是鋼材的200倍。同時它的彈性和延展性也十分出彩，拉伸幅度能達到自身尺寸的20%，石墨烯幾乎是透明的，具有優(yōu)于銅的超導電性。

　　石墨烯的物理屬性在各方面都具有開拓性，它注定掀起一場技術革命，從智能手機、可穿戴技術到綠色技術、醫(yī)療方面，無所不包。

　　一個二氧化氮分子被隔在單層石墨烯的外部。石墨烯的高阻隔性是得到公認的

　　素以高阻隔性著稱石墨烯膜一直被認為能夠隔絕任何分子和原子，曼徹斯特大學的研究者們發(fā)現(xiàn)石墨烯卻對質子“網(wǎng)開一面”，質子能輕易地穿過這個超薄晶體，若是在持續(xù)升高的溫度和使用鉑基催化劑的情況下，效果更佳。這一特性石墨烯可能成為燃料電池的質子傳導膜的新型理想材料。

　　目前最為普遍的燃料電池以氧和氫作為燃料，將輸入的化學能轉直接為電能。質子傳導膜是現(xiàn)代燃料電池的核心技術，然而當前應用于燃料電池的質子傳導膜效率相對較低，且易發(fā)生燃料滲透，導致污染。

　　“當你了解石墨烯膜的工作原理后，其實設置非常簡單，只要在含有氫氣的環(huán)境中，釋放小電流收集純氫，然后收集到的氫就在燃料電池中燃燒發(fā)電了。”Sheng Hu教授說。

　　一個正在收集氫氣的石墨烯晶體的分子結構，每個(藍色的)碳原子都依附著(紅色的)氫原子

　　石墨烯質子傳導膜只有質子才能穿過，因此能夠高效地收集到大氣中的氫氣，且純度非常高，顯著提高發(fā)電效率與耐用度。如今的燃料電池所使用的燃料氫氣都是從化石燃料中獲得的，而采用石墨烯的燃料電池只需要以空氣中氫氣為原料，建造出可移動的零污染空氣發(fā)電機離我們并不遙遠。

　　目前科學家們只使用小型石墨烯膜做研究，因此成功流入的氫氣還很微量。這項研究尚處于起步階段，它使得科學界了解到石墨烯膜的現(xiàn)有前景，而建造出實際應用的氫收集機器還需要進一步的努力。

　　研究員Rahul R.Nair教授展示他的研究樣本，一個一微米厚的石墨烯氧化膜

　　除了能夠使空氣發(fā)電技術成為現(xiàn)實，石墨烯還有其他的新用途。

　　石墨烯優(yōu)良的彈性和延展性使它成為制造太陽能電池最理想的候選者。西班牙的一家光子科學研究所的最新研究表明，相比于硅，石墨烯能夠更高效地進行光電轉化。硅每吸收一個光子只能產生一個電流電子，而石墨烯能產生多個電子。

　　放大了的表面被鉆了孔的單層石墨烯的研究樣本，肉眼可見光穿過薄膜

　　盡管目前石墨烯應用于太陽能電池領域尚處于理論階段，但它潛在的可能性是驚人的。石墨烯太陽能電池能實現(xiàn)60%的光電轉換率，是目前公認效率最大的晶體硅太陽能電池的兩倍。

　　石墨烯輕薄而堅硬的屬性可以為汽車、飛機生產商提供更優(yōu)質的生產材料，石墨烯制成的運輸工具將大大減低燃油消耗;研究表明石墨烯可以將藥品傳送到人體的特定位置，在治療腦部疾病方面大有可為;石墨烯薄膜還可以用來過濾海水，提取其中的鹽分和其他雜質，凈化出可飲用水。