橡树岭实验室发现控制聚合物电解质膜结构的方法 用于清洁能源发电应用

盖世汽车讯 将化学物质转化为电能的电解质，是实现新型零排放电源的基石。在这些新型电源中，燃料电池可以产生电力，但通常比较重。减轻电源重量有助于实现更节能的燃料电池车辆。因此，研究人员致力设计轻量化电解质，例如可以形成电解膜的聚合物，它们在发电条件下可以保持稳定状态。

（图片来源：橡树岭实验室）

据外媒报道，美国能源部橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）、桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）和克莱姆森大学（Clemson University）的研究团队通过研究结合中子散射和计算模型的模型系统，发现了一种控制聚合物电解质膜结构的方法，可以提高清洁能源发电设备的效率和寿命。

ORNL中子散射研究人员兼该实验室高通量同位素反应堆（HFIR）仪器研究人员Hilin He表示：“在这些膜内，离子形成团簇以支持质子传输。进一步了解这些团簇暴露于溶剂时发生的变化，将有助于开发优化材料，以实现更好的清洁能源解决方案。”

该团队发现，当添加乙醇、溶剂和潜在清洁能源发电用燃料时，他们可以操纵离子簇，从而控制聚合物的导电性和机械性能。克莱姆森大学化学和物理学教授Dvora Perahia表示：“使用普通溶剂，我们基本上可以控制离子簇的形成。设计用于清洁能源应用的有效轻量化膜电解质，关键在于形成具有可控尺寸和形状的团簇的能力，而中子散射对于确定这些团簇的行为十分重要。”

因为中子的独特性质，研究人员能够识别当质子和水在这些膜上扩散产生电时发生的变化。研究人员利用HFIR产生的中子来深入了解聚合物电解质膜等材料。HFIR可以提供稳定的中子束，是美国最强的反应堆基中子源。

为了获得结果，该团队将GP-SANS仪器上的HFIR小角度中子散射与在国家能源研究科学计算中心（NERSC，位于劳伦斯伯克利国家实验室）进行的计算研究相结合。通过这些计算，该团队能够直观地看到乙醇如何改变离子簇。这些计算有助于确定乙醇分子包裹在离子周围并打开簇，刚好足以让材料以更稳定的方式组织起来。

桑迪亚国家实验室综合纳米技术中心计算物理学家Gary S. Grest表示：“我们可以通过测量计算材料的各种特性，然后将这些结果与从中子散射获得的结果进行比较，这使我们可以确定仿真的正确性，并且可以用它来了解小规模原子细节，从而预测新材料的性质。”