尸能源、水资源、环保、医药等都是未来人类永续生活所须面对的重大议题,而薄膜科技在这些领域的发展将扮演举足轻重的角色,例如二氧化碳的减量和处理、民生和饮用水的净化回收、生物材料和新剂型医药的开发等,薄膜科技可 以说是人类未来生活之钥?本文着重薄膜科技在新能源开发上的应用,简介这一把可打开未来能源宝藏的钥匙。打开未来“新能源”宝藏之钥? ?日天?王庄林质子交换薄膜近年来全世界化石能源的供给并没有明显的增加,能源需求却因为新兴国家的经济起飞而不减反增,原油价格节节升高,取代化石能源的替代能源越受青睐。就人类的历史来看,太阳能虽然取之不竭,但就目前化石能源使用的范围来说,我们的确需要一种新的能源装置,类似于燃烧化石燃料,能随时随地产生能源供应动力或电力。也就是说,我们需要一种非化石能源为燃料的能源产生装置,由之衍生并发展中的装置就称为“燃料电池”。燃料电池的种类很多,其中以“质子交换薄膜燃料电池”? ? ? ? ? ?,? ? ? ? ? ?,?淤?的发展最受重视。? ? !?的燃料可以是氢气、甲醇、乙醇等,发电量范围宽广,可以做为小型发电站、交通工具发动机,甚至电子产品的电源。?泌?的燃料,例如氢气,是由阳极进入,经由触媒催化产生质子与电子,电子循外部电路到达阴极产生电流,质子则透过质子交换薄膜到达阴极,质子、电子与氧在阴极产生反应。整个电池反应于是可视为氢的氧化反应,而水是唯一的反应产物。薄膜科技在氢气与乙醇生产纯化过程中扮演着重要且关键的角色,而具有质子传导能力的质子交换薄膜,更是质子交换薄膜燃料电池的心脏。做为质子交换薄膜的材料,当然必须可以让质子通过,一般来说,凡带有可以解离质子的化学团基,例如磺酸基、磷酸基、梭酸基等,都可以达到质子交换的目的。另一方面,带 有胺基的高分子经过 四级胺盐化之后,所形成的四级胺盐也具有质子交换的功能。考量质子导通的性能和效率,带有磺酸基的高分子电解质是最理想的质子交换薄膜材料。目前最广泛使用做为质子交换薄膜的材 料,是美国杜搏公司 的? ? ?,它是一种具有侧链的氟碳聚合物,在侧链上具有磺酸团基做为质子传导之用。磺酸团基的数目与质子导通率有正相关,但过多磺酸团基会让高分子变得非常亲水而不稳定。另一方面,? ? ?的氟碳主链形成疏水的部分,在形成薄膜时会与亲水的含磺酸基的侧链形成微相分离的现象。也就是说,疏水的氟碳主链不喜欢和亲水的磺酸侧链在一起,于是件七易咨嘛声争 娜淤箱酮戈? 攀妙燃终舀 ? 将呱男筋撇浮声七峪聪求展方法慢慢调整剂量保持药效好几个星期的。从医院到菜园子很多人也许在不知不觉中己将塑料放进了自己的嘴里,因为今天坚固、美观的聚合物为消除我们的龋齿和牙洞提供了解决方案。另外科学家利用塑料还制造 出可与人体相容的骨骼水泥 以填补骨骼破裂和断折。塑料的应用还从医院延伸至菜园子。各种塑料的使用让农业 出现了翻天覆地的变化。阿尔梅里亚地区在? ? 世纪? ?年代仍是西班牙经济最落后 的地区,现在随着种植业的兴起,这里已经成为著名的“欧洲花园”。阿尔梅里亚?万公顷的塑料大棚已成为世界上 最大 的温室,瓜 果生产一派繁荣。不仅塑料大棚的修建有助于充分利用水份灌溉和在干 早土地上种植,并且当地农民还将塑料用于专业 目的,例如利用可进行光谱颜色选择的塑料薄膜吸收或者反射阳光,绿光适合辣椒和蜜瓜生长,红光适合西红柿生长,蓝光适合茄子和葫芦生长。防灾容组料?阿尔梅里亚的农业生产者利用上述 方法使好几种草墓的产量提高了? ?。此外还有防灾害塑料棚,它们可以吸收或者阻挡紫外线,避免有害真菌的繁殖和依靠昆虫传播的病毒的产生。但这种密集型农业导致一个环境问题,即废旧塑料薄膜会分解成难以 回收和再利用的碎片。这个问题的解决方法还在于聚合物。目前科学家正在创造用于地表铺设的能够生物分解哨扮,共州扮?一热呱咖认抑邵瑞比冲的塑料薄膜,经过一段时间的微生物新陈代谢,它们就会转化成二氧化碳和水。可 生物降解是塑料能否得到大规模利用的关键。美国国防部高级研究计划局 因此开展了一项特殊研究,第一阶段由布鲁克林工学院用油菜、向日葵或棕搁油生产用于包装食品的塑料,第二阶段由基因研究机构发明将塑料转化成用于 生产生物柴油油料的方法。五角大楼出于经济利益关注这项研究,因为每个美国士兵每天制造?公斤的塑料垃圾,而解决这些垃圾需要人工、汽油和运输费用。在塑料丰富多彩的特性 中,现代社会又对它们提出了可持续利用的要。尽管我们不知道未来社会怎样发但可以肯定未来我们将被聚合物包围瘫健发理城曰在薄膜里面,疏水的氟碳主链自己就形成一个区域,亲水的磺酸侧基则形成另一个区域,这就是相分离。这种相分离尺度通常不大,肉眼不可见,但自成区域的含磺酸基侧链就在薄膜里面形成一个质子的信道,有利于质子由阳极透过薄膜到达阴极。也因如此,? ? ?质子交换薄膜具有相当不错的质子传导特性。使用氢气做为燃料的?娜?较不适合应用于电子产品,而较合适的装置是使用甲醇为燃料的“直接甲醇燃料电池”? ? ? ? ? ? ? ?,?娜?。它是以甲醇取代氢气为燃料,在阳极发生化学反应产生的质子和电子,分别透过质子交换薄膜和外部电路到达阴极。这时,质子交换薄膜直接与甲醇接触,因此它对甲醇的耐受性、稳定性及阻绝甲醇通过的特性,就变得很重要。一般来说,做为燃料的甲醇浓度通常都不高,约在?米以下,常用的更只有?米左右。但由于质子交换薄膜必须长期和 甲醇水溶液接触,这对高亲水性的质子交换薄膜来说,是相当严苛的考验。也因此,? ? ?做为现护?的质子交换薄膜时,便遇到难以阻挡甲醇通过的问题,开发新的?姬?用的质子交换薄膜,就显得急迫且必须。研究显示,以磺酸化而不含氟的高性能芳香族高分子做为质子交换薄膜的材料,或形成纳米复合材料,或引入三维的立体交联结构在具有磺酸根的巨电解质材料中,都可以达到提高质子交换薄膜性能的目标。当一种材料真正成为商品时,它的性能、效能、价格、耐久性之间的平衡,就变成另一个值得研究的议题。这也是为什么产品从雏型开发到进入市场,通常需要好几年时间的原因。但通过薄膜科技学者的努力,各种使用?娜?做为电源的? ?产品雏型,己经在各种展览会中亮相了。相信不久之后,使用者就不用再苦于手机没电无法畅所欲言,或避免笔记本电脑电池续航力不足而无法长时间在户外使用的困扰。渗透膜水力发电是利用水的位能转换成动能以推动发电机而发电,在由高处往低处流的溪流里建水坝累积水的高度,自然会获得具比较高位能的水。地球上海水取之不尽,如果能用以发电,会是一理想的资源。利用海水发电,技术之一是利用潮汐起落的能量差来发电,另一则是利用薄膜技术的“盐分梯度发电”。当淡水?河水?和盐水?海水?被薄膜隔开时,因为渗透压的关系,如果所用的薄膜具有半透性,就只能透过水分子但阻绝盐分子,则浓度差异会迫使淡水通过薄膜到达盐水侧,盐水侧端的水位就会高过淡水侧端,产生的水位差异就可提供足够的位能用以发电。这里所使用的薄膜称为“半透膜”,广泛使用在海水淡化程序中,但海水淡化是让水从盐水端逆向渗透过薄膜到达淡水端,是属于逆渗透薄膜,盐分梯度发电使用的半透过膜则是正渗透薄膜。德 国薄膜研发重镇? ? ?曾展示过具有商业应用潜力的“正渗透薄膜”,日本的研究人员也证实盐分梯度发电系统确实可以得到能源的净输出,也就是说,发电输出的能源超过发电本身所消耗的,这些成果都证实盐分梯度发电是可行的。事实上,在“欧盟执委会第六期科研架构计划永续能源系统计划”中,梯度发电计划就是一项重要的子计划。计划并以开发适用于“盐分梯度发电设备”的“膜”为计划执行目标,可见薄膜技术在新能源开发上有其重要性。要达到薄膜对水及盐类有选择性的穿透效果,最重要的就是薄膜的孔洞大小必须在次纳米等级,也就是必须小于盐类的离子,而大于水分子。另一方面,逆渗透薄膜已是纯熟的技术,正渗透薄膜虽然有类似的原理,但因为操作的条件及应用都不一样,因此薄膜的性质必须有所调整,其难度和 开发新颖的薄膜基本上是相 同的。电透析薄膜逆渗透薄膜本来是应用于水的纯化,但其逆转程序也可应用于盐分梯度发电,与这类似的例子便是电透析薄膜。电透析薄膜可以选择性地让阴离子或阳离子通过薄膜,而阻挡另一形式的离子,例如阳离子薄膜只让阳离子通过,而 阻绝阴离子。当盐溶液被置于由阴离子薄膜与阳离子薄膜所形成的槽体时,盐解离成阴离子与阳离子,阳离子透过阳离子薄膜到达槽体一端,阴离子则反向透过阴离子薄膜到达槽体另一侧,如此便可把水溶液中的盐分去除。如果逆转电透析的程序,把阴离子薄膜与阳离子薄膜交错配置 于槽体中,其间也交错地导入淡水与盐水?海水?于阴、阳离子薄膜之间,由于扩散作用,盐水中的盐分会透过薄膜进入淡水中。然而解离的盐类产生的阳离子只能通过阳离子薄膜,而由阳离子薄膜这一方进入淡水,阴离子则 由另一侧透过阴离子薄膜进入淡水,如此一来,在两个电极之间就会因电荷分离而产生电压,这就是化学电池的一种类型。一种新科技的形成和其衍生出来的产品,往往会大幅改变人类生活的形貌,也会带来无限的方便性,未来科技的发展可以说正朝向“促进人类美好生活”的方向前进。驱动人类社会进步的重要因子之一就是“能源”的发现和利用,而薄膜科技正是激活“新能源”的钥匙。全世界的薄膜产业正在发展成形,也在新能源的竞逐中扮演着举足轻重的角色,我国这一方面的研究发展也正蓬勃发展中。注?部分 内容编译自美国新科技杂志? ? 年?月号困