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由几乎所有主要汽车制造商开发的氢动力燃料电池汽车是理想的零排放汽车，因为它们仅产生水作为废气。然而，它们的可靠性受到限制，因为燃料电池依赖于仅在存在足够的水时起作用的膜，从而限制了车辆的运行条件。

匹兹堡大学斯旺森工程学院的研究人员发现，石墨烯(碳和氢的二维聚合物)的不寻常特性可以形成一种无需水的运输质子的无水“桶式旅”，可能导致为车辆和其他能源系统开发更高效的氢燃料电池。

主要研究人员是斯坎森学院化学与石油工程系的William Kepler Whiteford教授Karl Johnson，研究生助理Abhishek Bagusetty是第一作者。他们的工作“在羟基官能化的Graphane上进行简单的无水质子转运”(DOI：10.1103 / PhysRevLett.118.186101)于本周发表在Physical Review Letters上。计算建模技术与大学研究计算中心的高性能计算基础设施相结合，使他们能够设计出这种具有突破性的材料。

氢燃料电池就像一个可以用氢和氧充电的电池。氢进入燃料电池的一侧，在那里它被分解成质子(氢离子)和电子，而氧进入另一侧并最终与质子和电子化学结合产生水，释放出大量的能量。

燃料电池的核心是质子交换膜(PEM)。这些膜主要依靠水来帮助质子穿过膜传导。一切都很好，除非温度过高或湿度下降，这会耗尽水膜并阻止质子迁移穿过膜。约翰逊博士解释说，出于这个原因，人们对开发能够在非常低的水位下操作的新型膜材料 - 甚至在完全没有水(无水)的情况下非常感兴趣。

“今天的氢燃料电池中的PEM是由一种叫做Nafion的聚合物制成的，当它含有适量的水时，它才能传导质子，”约翰逊博士说。“太少的水，膜干了，质子停止移动。太多，膜”淹没“并停止运行，类似于如何用大量汽油淹没化油器发动机，”他补充说。

约翰逊博士和他的团队专注于石墨烯，因为当用羟基官能化时，它会产生更稳定的绝缘膜来传导质子。“我们的计算模型表明，由于石墨烯的独特结构，它非常适合在无水条件下快速传导穿过膜的质子和电路中的电子，”约翰逊博士说。“这将使氢燃料电池汽车成为一种更实用的替代汽车。