空气发电才不是痴人说梦 “万能石”石墨烯新技能
150多年前，自铅酸电池问世以来，关于革新电池技术的大胆观点就一直存在。 近日，英国曼彻斯特大学在《自然杂志》上发布了一项最新研究，石墨烯薄膜可以用来提取大气中的氢气，将其应用到燃料电池领域会为空气发电技术带来可能。科学界表示这是电池技术史上最具革命性的进步。
“这项研究操作起来非常简单，并且很有发展前景。”该项目的一位博士后研究者Sheng Hu教授说，“如今石墨烯已可以生产成一平方米的薄片，它在商用燃料电池上的应用宜早不宜迟。”
科研人员使用电子束曝光机分离石墨烯。图片来源：网络
2004年在曼彻斯特大学的实验室里，Andrew Geim和Kostya Novoselov领导的科研团队成功从石墨中分离出石墨烯，证明石墨烯是可以单独存在的，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。自那时起，石墨烯就一直被视为科技领域的扭转乾坤者。
石墨烯与铅笔中的石墨拥有相同的分子结构。图片来源：网络
该项研究的核心就在于石墨烯卓越的物理特性，它与普通铅笔中的石墨拥有同样的原子结构。作为目前科学界发现的第一个二维晶体，石墨烯是最轻薄且最坚硬的物质，它只有一个碳原子的厚度，比人类的头发还要细100万倍。它比钻石坚硬，断裂强度是钢材的200倍。同时它的弹性和延展性也十分出彩，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%，石墨烯几乎是透明的，具有优于铜的超导电性。石墨烯的物理属性在各方面都具有开拓性，它注定掀起一场技术革命，从智能手机、可穿戴技术到绿色技术、医疗方面，无所不包。
一个二氧化氮分子被隔在单层石墨烯的外部。石墨烯的高阻隔性是得到公认的。图片来源：网络
素以高阻隔性著称石墨烯膜一直被认为能够隔绝任何分子和原子，曼彻斯特大学的研究者们发现石墨烯却对质子“网开一面”，质子能轻易地穿过这个超薄晶体，若是在持续升高的温度和使用铂基催化剂的情况下，效果更佳。这一特性石墨烯可能成为燃料电池的质子传导膜的新型理想材料。
目前最为普遍的燃料电池以氧和氢作为燃料，将输入的化学能转直接为电能。质子传导膜是现代燃料电池的核心技术，然而当前应用于燃料电池的质子传导膜效率相对较低，且易发生燃料渗透，导致污染。
“当你了解石墨烯膜的工作原理后，其实设置非常简单，只要在含有氢气的环境中，释放小电流收集纯氢，然后收集到的氢就在燃料电池中燃烧发电了。”Sheng Hu教授说。
一个正在收集氢气的石墨烯晶体的分子结构，每个（蓝色的）碳原子都依附着（红色的）氢原子。图片来源：网络
石墨烯质子传导膜只有质子才能穿过，因此能够高效地收集到大气中的氢气，且纯度非常高，显著提高发电效率与耐用度。如今的燃料电池所使用的燃料氢气都是从化石燃料中获得的，而采用石墨烯的燃料电池只需要以空气中氢气为原料，建造出可移动的零污染空气发电机离我们并不遥远。
目前科学家们只使用小型石墨烯膜做研究，因此成功流入的氢气还很微量。这项研究尚处于起步阶段，它使得科学界了解到石墨烯膜的现有前景，而建造出实际应用的氢收集机器还需要进一步的努力。
研究员Rahul R.Nair教授展示他的研究样本，一个一微米厚的石墨烯氧化膜。图片来源：网络
除了能够使空气发电技术成为现实，石墨烯还有其他的新用途。
石墨烯优良的弹性和延展性使它成为制造太阳能电池最理想的候选者。西班牙的一家光子科学研究所的最新研究表明，相比于硅，石墨烯能够更高效地进行光电转化。硅每吸收一个光子只能产生一个电流电子，而石墨烯能产生多个电子。
放大了的表面被钻了孔的单层石墨烯的研究样本，肉眼可见光穿过薄膜。图片来源：网络
尽管目前石墨烯应用于太阳能电池领域尚处于理论阶段，但它潜在的可能性是惊人的。石墨烯太阳能电池能实现60%的光电转换率，是目前公认效率最大的晶体硅太阳能电池的两倍。
石墨烯轻薄而坚硬的属性可以为汽车、飞机生产商提供更优质的生产材料，石墨烯制成的运输工具将大大减低燃油消耗；研究表明石墨烯可以将药品传送到人体的特定位置，在治疗脑部疾病方面大有可为；石墨烯薄膜还可以用来过滤海水，提取其中的盐分和其他杂质，净化出可饮用水。
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