近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研團(tuán)隊的一項研究顯示，利用石墨烯材料做“容器”苗鸦，采用類似“三明治”的結(jié)構(gòu)，有望解決高儲氫率下的安全儲氫以及低成本收集氫氣兩方面問題跋共，從而促成氫氣燃料電池的發(fā)展外羽。

三明治，不少人都品嘗過絮很，但今天本期科技能見度要說的“三明治”捡奖，卻非常神奇，它可以讓我們傳統(tǒng)儲存電能的電池變成一個小型發(fā)電廠奇忆，而且與傳統(tǒng)電池區(qū)別最大的是桌蟋，它還是一種清潔能源。

近日享处，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研團(tuán)隊的一項研究顯示篮踏，利用石墨烯材料做“容器”，采用類似“三明治”的結(jié)構(gòu)喝撒，有望解決高儲氫率下的安全儲氫以及低成本收集氫氣兩方面問題你踩，從而促成氫氣燃料電池的發(fā)展。該研究的相關(guān)論文發(fā)表在學(xué)術(shù)刊物《自然·通訊》上讳苦。

氫能源發(fā)熱值是汽油3倍

氫能带膜，是公認(rèn)的清潔能源。早在20世紀(jì)70年代鸳谜，“氫能經(jīng)濟(jì)”這一概念就被提出膝藕。簡單來說式廷，其設(shè)想了用太陽光驅(qū)動，利用水制造氫氣芭挽，并以氫為媒介（制備滑废、儲存、運輸和轉(zhuǎn)化）取代現(xiàn)有的石油經(jīng)濟(jì)體系袜爪，從而達(dá)到環(huán)比涑茫可再生的目標(biāo)。

對于氫能的優(yōu)勢辛馆，上述論文的通訊作者俺陋、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院江俊教授提到三點：其一，氫氣含能高昙篙，除核燃料外降再，氫的發(fā)熱值是目前所有燃料中最高的，是汽油的3倍士挽。氫的高能泞征，使氫成為推進(jìn)航天器的重要燃料之一。其二您脂，氫氣是一種清潔能源无俏，本身無毒，燃燒產(chǎn)物是水蛀田，無污染猿饿，且可以循環(huán)使用。第三乖阐，氫的來源也非常廣泛耀骆，除了礦物燃料制氫外，無處不在的水也被稱為“氫礦”亦誊。

目前卢掖，氫能的應(yīng)用主要以燃料電池為核心。燃料電池概念最早由英國威爾士科學(xué)家格羅夫（William Grove）于1839年提出傻丝，燃料和空氣分別送進(jìn)燃料電池甘有，電就被生產(chǎn)出來。它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等葡缰，像一個蓄電池亏掀，但實質(zhì)上它不能“儲電”而是一個“發(fā)電廠”。

氫燃料電池與普通電池的區(qū)別主要在于：干電池泛释、蓄電池是一種儲能裝置滤愕，是把電能貯存起來，需要時再釋放出來；而氫燃料電池嚴(yán)格地說是一種把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置间影。

氫能源成本和安全仍有局限

浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)系趙永志副教授等專家認(rèn)為注竿，氫能源在包括燃料電池汽車、分布式發(fā)電魂贬、應(yīng)急電源等領(lǐng)域的應(yīng)用蔓搞，已接近產(chǎn)業(yè)化。

在氫燃料電池汽車方面随橘，日本的研究“走得很早”，如豐田甚至有實驗性質(zhì)的氫燃料電池汽車Mirai熔又，并且已經(jīng)少量上市銷售协伴。在國內(nèi)，氫燃料電池汽車開發(fā)也緊隨其后非宝，在北京奧運會杨趣、上海世博會、廣州亞運會及深圳大運會期間券转，中國都開展了燃料電池汽車的示范項目凡搪。

清華大學(xué)汽車工程系李建秋教授認(rèn)為，預(yù)計到2020年樊悬，國內(nèi)燃料電池汽車將有1萬輛左右示范運行轨凡，從2025年開始，燃料電池汽車產(chǎn)量將會大幅度提高谋哼，按照每年10萬輛的速度遞增文紧。

不過，成本和安全上的考慮仍無法回避缩铸。如同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院副研究員鄭俊生曾表示俭谨，電池價格高企是制約氫燃料汽車發(fā)展的瓶頸之一。他解釋径筏，氫燃料電池的催化劑是鉑金類金屬葛假，其價格高昂，雖然技術(shù)進(jìn)步大幅減少了使用量滋恬，但仍然制約了氫燃料電池的成本聊训。此外，由于氫氣的貯藏與運輸面臨特殊困難夷恍，同時加氫站作為氫燃料電池汽車重要基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本較高魔眨，均限制了其推廣。

而“分布式發(fā)電”酿雪，一般是指靠近最終用戶處（工廠遏暴、商業(yè)企業(yè)、公共建筑、街區(qū)朋凉、私人住戶）的集成或者單機(jī)的小型發(fā)電裝置州丹。目前，以燃料電池為主的分布式發(fā)電已在歐美及日韓等地區(qū)開始初步商業(yè)化杂彭。

另外墓毒，作為應(yīng)急電源，氫燃料電池相較鉛酸蓄電池來說嘱峦，其具有的能源效率高笨墙、環(huán)境友好、占地面積小侍除、質(zhì)量輕刷粒、運行穩(wěn)定可靠、壽命長等特點晋蛾，也開始受到應(yīng)急電源市場越來越多的青睞宵穆。目前，在通信領(lǐng)域艳院，用燃料電池做應(yīng)急電源已不罕見糯侍，如我國三大電信運營商也已經(jīng)有燃料電池備用電源投入使用。

蘭州大學(xué)物理學(xué)博士褚士兵在其論文中寫道颠恬，高效的氫氣儲存是燃料電池進(jìn)行廣泛商業(yè)應(yīng)用的一個條件洞逼。但是現(xiàn)在多數(shù)的氫氣儲存方法，包括壓縮苇裤、液化治拿、金屬氧化物，都難以達(dá)到完全取代化石燃料的最低標(biāo)準(zhǔn)笆焰。

對于氫燃料電池劫谅，科學(xué)家的另一種儲存思路是，把氫氣通過物理或者化學(xué)吸附形成固態(tài)物質(zhì)嚷掠，比如與金屬原子形成金屬氫化物捏检，與有機(jī)分子形成化學(xué)氫化物。此外不皆，利用大表面材料如富勒烯贯城、石墨烯等吸附也是一種思路。

用石墨烯可實現(xiàn)安全儲氫

2004年霹娄，英國曼徹斯特大學(xué)安德烈·海姆教授和康斯坦丁·諾沃肖羅夫博士等能犯，用膠帶反復(fù)剝離高定向熱解石墨的方法，得到了穩(wěn)定存在的石墨烯犬耻。由于石墨烯優(yōu)異的電學(xué)踩晶、光學(xué)和機(jī)械性能执泰，以及石墨烯廣泛的應(yīng)用前景，其發(fā)現(xiàn)者海姆和諾沃肖羅夫被授予2010年度諾貝爾物理學(xué)獎子桩。

成功制得石墨烯之后杖烘，海姆團(tuán)隊進(jìn)一步研究，證實石墨烯能讓質(zhì)子穿透奄刊，這意味著可將空氣中的氫氣制成燃料電池于抬，產(chǎn)生電力和水分，成為一種無碳饱粟、無污染的革命性環(huán)保能源元邻。

江俊介紹，他們的研究正是受到了海姆近年工作的啟發(fā)：石墨烯能夠隔絕所有氣體和液體掖阶，卻對質(zhì)子能夠“網(wǎng)開一面”矮按，大方放行。利用這一大自然給質(zhì)子開的“方便之門”歉羹，江俊等設(shè)計了一種“三明治”結(jié)構(gòu)，將碳氮材料夾在兩層石墨烯中者妆。

這種夾心的“三明治”結(jié)構(gòu)可以同時吸收紫外光和可見光帅挫，利用源源不斷的太陽光能產(chǎn)生正負(fù)電荷，將帶有能量的正負(fù)電荷迅速分離喘疹，并分別跑到外層石墨烯和碳氮夾心層抡草，充分施展出二者各自的能力：石墨烯表面的水分子在正電荷的幫助下分解，產(chǎn)生質(zhì)子蔗坯。這些質(zhì)子可穿透石墨烯康震，遇到電子后反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。由于只有質(zhì)子能夠通過石墨烯宾濒，而產(chǎn)生的氫氣不能穿透石墨烯腿短，光解水產(chǎn)生的氫氣分子被安全地保留在三明治復(fù)合體系內(nèi)。同時绘梦，氧原子橘忱、氧氣、羥基等物質(zhì)無法進(jìn)入復(fù)合體系卸奉，從而抑制了氧與氫重新變?yōu)樗哪娣磻?yīng)發(fā)生钝诚，實現(xiàn)了高儲氫率下的安全儲氫。

江俊介紹榄棵，不僅是石墨烯和碳氮材料凝颇，其他如富勒烯、碳納米管等和光催化劑也可用于這一復(fù)合體系中疹鳄。這為實現(xiàn)太陽能裂解水轉(zhuǎn)換為氫能創(chuàng)造了可能末瘾，并進(jìn)而有助于氫能的大規(guī)模應(yīng)用唠芋。

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