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150多年前，自鉛酸電池問世以來，關於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《自然雜誌》上發布了一項最新研究，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，並且很有發展前景。」該項目的一位博士後研究者Sheng 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。」

科研人員使用電子束曝光機分離石墨烯。圖片來源：網絡

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。圖片來源：網絡

該項研究的核心就在於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。

作為目前科學界發現的第一個二維晶體，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，比人類的頭髮還要細100萬倍。它比鑽石堅硬，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，具有優於銅的超導電性。

石墨烯的物理屬性在各方面都具有開拓性，它註定掀起一場技術革命，從智慧型手機、可穿戴技術到綠色技術、醫療方面，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。圖片來源：網絡

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現石墨烯卻對質子「網開一面」，質子能輕易地穿過這個超薄晶體，若是在持續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。質子傳導膜是現代燃料電池的核心技術，然而當前應用於燃料電池的質子傳導膜效率相對較低，且易發生燃料滲透，導致污染。

「當你了解石墨烯膜的工作原理後，其實設置非常簡單，只要在含有氫氣的環境中，釋放小電流收集純氫，然後收集到的氫就在燃料電池中燃燒發電了。」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。圖片來源：網絡

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，而採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電機離我們並不遙遠。

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。這項研究尚處於起步階段，它使得科學界了解到石墨烯膜的現有前景，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。圖片來源：網絡

除了能夠使空氣發電技術成為現實，石墨烯還有其他的新用途。

石墨烯優良的彈性和延展性使它成為製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，相比於矽，石墨烯能夠更高效地進行光電轉化。矽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。

放大了的表面被鑽了孔的單層石墨烯的研究樣本，肉眼可見光穿過薄膜。圖片來源：網絡

儘管目前石墨烯應用於太陽能電池領域尚處於理論階段，但它潛在的可能性是驚人的。石墨烯太陽能電池能實現60%的光電轉換率，是目前公認效率最大的晶體矽太陽能電池的兩倍。

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質的生產材料，石墨烯製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。

（編譯：江帆）

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