薄膜科技：人类未来的“生活之钥”

王庄林

能源、水资源、环保、医药等都是人类未来生活所需要面对的重大课题，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、饮用水的净化、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的“生活之钥”。

就目前化石能源使用的范围来说，我们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”(proton-exchange-membranefuel cell，简称为PEMFC)的发展最受重视。PEMFC的燃料可以是氢气、甲醇、乙醇等，发电量范围宽广，可以作为小型发电站、交通工具发动机，甚至电子产品的电源。PEMFC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，而水是惟一的反应产物。

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。作为质子交换薄膜的材料，当然必须让质子通过，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、羧酸基等，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，最广泛使用以质子交换薄膜的材料的是美国杜糐公司的Nafion，它是一种具有侧链的氟碳聚合物，在侧链上具有磺酸团基作为质子传导之用。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，Nafion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，于是在薄膜里面，疏水的氟碳主链就形成一个区域，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，Nafion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PEMFC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”(direct methanol fuel cell，简称为DMFC)。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5M以下，常用的更只有2～3M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，是相当严格的考验。因此，Nafion做为DMFC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DMFC用的质子交换薄膜，就显得十分急迫。

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。当一种材料真正使用于商品时，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DMFC做为电源的3c产品雏型，已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。

薄膜科技将大大促使“新能源”的发展，薄膜科技和其衍生出来的产品会大幅改变人类生活的现状，人类的生活正朝更美好的未来发展。