薄膜科技：人類未來的“生活之鑰”

王莊林

能源、水資源、環保、醫藥等都是人類未來生活所需要面對的重大課題，而薄膜科技在這些領域的發展將扮演舉足輕重的角色，例如二氧化碳的減量和處理、飲用水的凈化、生物材料和新劑型醫藥的開發等，薄膜科技可以說是人類未來的“生活之鑰”。

就目前化石能源使用的范圍來說，我們需要一種新的能源裝置，類似于燃燒化石燃料，能隨時隨地產生能源供應動力或電力。也就是說，我們需要一種非化石能源為燃料的能源產生裝置，由之衍生并發展中的裝置就稱為“燃料電池”。“燃料電池”的種類很多，其中以“質子交換薄膜燃料電池”(proton-exchange-membranefuel cell，簡稱為PEMFC)的發展最受重視。PEMFC的燃料可以是氫氣、甲醇、乙醇等，發電量范圍寬廣，可以作為小型發電站、交通工具發動機，甚至電子產品的電源。PEMFC的燃料，例如氫氣，是由陽極進入，經由觸媒催化產生質子與電子，電子循外部電路到達陰極產生電流，質子則透過質子交換薄膜到達陰極，質子、電子與氧在陰極產生反應。整個電池反應于是可視為氫的氧化反應，而水是惟一的反應產物。

薄膜科技在氫氣與乙醇生產純化過程中扮演著重要且關鍵的角色，而具有質子傳導能力的質子交換薄膜更是質子交換薄膜燃料電池的心臟。作為質子交換薄膜的材料，當然必須讓質子通過，一般來說，凡帶有可以解離質子的化學團基，例如磺酸基、磷酸基、羧酸基等，都可以達到質子交換的目的。另一方面，帶有胺基的高分子經過四級胺鹽化之后，所形成的四級胺鹽也具有質子交換的功能。考量質子導通的性能和效率，帶有磺酸基的高分子電解質是最理想的質子交換薄膜材料。

目前，最廣泛使用以質子交換薄膜的材料的是美國杜糐公司的Nafion，它是一種具有側鏈的氟碳聚合物，在側鏈上具有磺酸團基作為質子傳導之用。磺酸團基的數目與質子導通率有正相關，但過多磺酸團基會讓高分子變得非常親水而不穩定。另一方面，Nafion的氟碳主鏈形成疏水的部分，在形成薄膜時會與親水的含磺酸基的側鏈形成微相分離的現象。也就是說，疏水的氟碳主鏈不喜歡和親水的磺酸側鏈在一起，于是在薄膜里面，疏水的氟碳主鏈就形成一個區域，親水的磺酸側基則形成另一個區域，這就是相分離。這種相分離尺度通常不大，肉眼不可見，但自成區域的含磺酸基側鏈就在薄膜里面形成一個質子的信道，有利于質子由陽極透過薄膜到達陰極。也因如此，Nafion質子交換薄膜具有相當不錯的質子傳導特性。

使用氫氣做為燃料的PEMFC較不適合應用于電子產品，而較合適的裝置是使用甲醇為燃料的“直接甲醇燃料電池”(direct methanol fuel cell，簡稱為DMFC)。它是以甲醇取代氫氣為燃料，在陽極發生化學反應產生的質子和電子，分別透過質子交換薄膜和外部電路到達陰極。這時，質子交換薄膜直接與甲醇接觸，因此它對甲醇的耐受性、穩定性及阻絕甲醇通過的特性，就變得很重要。一般來說，做為燃料的甲醇濃度通常都不高，約在5M以下，常用的更只有2～3M左右。但由于質子交換薄膜必須長期和甲醇水溶液接觸，這對高親水性的質子交換薄膜來說，是相當嚴格的考驗。因此，Nafion做為DMFC的質子交換薄膜時，便遇到難以阻擋甲醇通過的問題，開發新的DMFC用的質子交換薄膜，就顯得十分急迫。

研究顯示，以磺酸化而不含氟的高性能芳香族高分子做為質子交換薄膜的材料，或形成納米復合材料，或引入三維的立體交聯結構在具有磺酸根的巨電解質材料中，都可以達到提高質子交換薄膜性能的目標。當一種材料真正使用于商品時，它的性能、效能、價格、耐久性之間的平衡，就變成另一個值得研究的議題。這也是為什么產品從雛型開發到進入市場，通常需要好幾年時間的原因。但通過薄膜科技學者的努力，各種使用DMFC做為電源的3c產品雛型，已經在各種展覽會中亮相了。相信不久之后，使用者就不用再苦于手機沒電無法暢所欲言，或避免筆記本電腦電池續航力不足而無法長時間在戶外使用的困擾。

薄膜科技將大大促使“新能源”的發展，薄膜科技和其衍生出來的產品會大幅改變人類生活的現狀，人類的生活正朝更美好的未來發展。