2007年12月13日
在当今日益环保的社会中，燃料电池汽车已经达到了商业可行性，但尽管有这样的承诺，就连科学家也在努力解释燃料电池的核心部件——质子交换膜——到底是如何工作的。
然而，一组研究人员在美国能源部艾姆斯实验室提供了一个新的模型，为迄今为止膜的结构和功能提供了最好的解释。有了这些信息，科学家们应该能够制造出类似的燃料电池膜材料，这些材料更便宜或者具有不同的特性，比如更高的工作温度。欧洲杯足球竞彩
燃料电池的工作原理是将氢气通过质子交换膜。在这个过程中，氢以电的形式释放电子，然后与氧气结合生成水作为副产品。它也可以反向工作——当施加电流时，水被分解成其组成气体氢和氧。
该模型由艾姆斯实验室的科学家Klaus Schmidt-Rohr和Qiang Chen提出，详细内容发表在12月9日出版的《自然材料》杂志上，具体研究了Nafion®，一种广泛使用的全氟聚合物薄膜，因其对水和质子的高选择性渗透性而突出。欧洲杯足球竞彩Schmidt-Rohr同时也是爱荷华州立大学的化学教授，他认为Nafion®有一个紧密排列的网络，纳米尺度的圆柱形水通道在材料中平行运行。
“通过核磁共振(NMR)，我们知道Nafion®分子有一个刚性的骨干结构，沿着链有毛发状的‘缺陷’，”Schmidt-Rohr说，“但我们不知道这些分子是如何排列的。一些人提出了球状水团，另一些人提出了网状的水渠网络。”
“我们的理论是，这些疏水(憎水)主干结构聚集在一起，”他继续说，“形成直径约2.5纳米的长刚性圆柱体，亲水‘毛发’位于充满水的管子内部。”
尽管样品不同部位的圆柱体可能不会完全对齐，但它们确实会连接起来，形成穿过膜材料的水道，膜材料的厚度可能为10微米。Schmidt Rohr说，正是这种直径相对较宽的通道结构，密集排列并平行穿过材料，有助于解释水和质子如何能如此容易地通过Nafion®扩散，“几乎和水通过水一样容易”。
为了解开结构之谜，施密特-罗尔转向了小角度x射线和中子散射的数学建模，或称SAXS/SANS。x射线或中子辐射被样品散射，并分析产生的散射模式，以提供关于样品在纳米尺度上的大小、形状和方向的信息。
使用称为多维傅里叶变换的算法，Schmidt Rohr能够证明他的长密集通道模型与Nafion®的已知散射数据非常匹配。水团具有其他形状或连通性的其他拟议结构的数学建模与测量的散射曲线不匹配。
施密特-罗尔说:“我们的模型还有助于解释电导率是如何在远低于水的冰点的情况下继续保持的。”“虽然水会在较大的通道中冻结，但它会继续在较小直径的孔隙中扩散。”
施密特·罗尔补充说，需要进行额外的分析，以确定圆筒如何通过薄膜连接。