质子穿过石墨烯薄膜示意图受访者提供了
忻芝
燃料电池车，作为一种新能源电动汽车，只需要一两分钟就能充满燃料。核心部件是燃料电池。由于其特殊的物理结构，具有晶格结构的二维材料如石墨烯和氮化硼只允许直径小于10皮米(1皮米等于1/1000纳米)的粒子通过。盐酸由氢离子和氯离子组成，质子半径约为0.001皮米，氯离子半径约为180皮米，因此只有较小的质子才能通过膜。这证明了在这个实验中流经二维薄膜的电流都是由质子传导产生的，而稍大一点的氯离子根本没有贡献。张生说:“这个实验证明石墨烯和氮化硼二维材料只允许质子通过，这可以阻挡包括氢在内的其他离子和分子，满足燃料电池质子传导膜材料的要求。”不过，他也坦言，虽然石墨烯和氮化硼比商用质子传导膜薄(相差10，000倍)，但由于结构过于紧凑，质子传导电阻大于商用膜，能量转换效率没有提高，不适合商业推广。
云母膜比石墨烯更有应用前景。
在确认石墨烯等二维材料可以用作质子传导材料的基础上，张生及其合作者经过两年的积极探索，发现另一种二维材料云母在燃料电池领域比石墨烯更有应用前景。
“云母是一种储量极其丰富、地壳价格非常低的矿物。它的主体由像海绵一样的硅铝酸盐层组成，钾离子在像水一样的孔隙中很丰富。”张生说，由于离子交换反应，钾离子可以很容易地与质子交换。因为钾离子的半径约为100皮米，质子的半径约为0.001皮米，所以体积要小得多，所以质子可以很好地在钾离子所在的孔隙中传输。
研究发现，离子交换处理后云母膜的质子传导率大大提高，应用温度可从100℃延长至500℃，具有很大的应用前景。张生说，“我们发现离子交换反应后云母膜的质子传导率增加了100倍。同时，云母膜具有较高的热稳定性，储量丰富，价格低廉。”研究还发现，在150℃时，云母膜的质子传导率超过目前商业要求的两倍，应用于燃料电池后，汽车的行驶里程将大大提高。
目前，张郑声带领研究团队制备大规模云母薄膜，利用其高质子传导率和优异的耐热性来改进现有的燃料电池技术，促进燃料电池汽车的发展。除燃料电池外，张生还计划将上述质子传导膜材料用于太阳能(000591，Guba)光解水、提取海洋蓝色能源，以及将二氧化碳电化学转化为甲酸、乙醇和乙烯等化学原料的众多清洁能源技术。
