鉅大LARGE | 點擊量：467次 | 2023年09月27日
中科大用石墨烯實現(xiàn)"太陽能制氫儲氫一體化" 助推氫燃料動力電池發(fā)展
三明治，不少人都品嘗過，但今天本期科技能見度要說的三明治，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，而且和傳統(tǒng)電池差別最大的是，它還是一種清潔能源。
近日，我國科學技術大學科研團隊的一項研究顯示，利用石墨烯材料做容器，采用類似三明治的結構，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，從而促成氫氣燃料動力電池的發(fā)展。該研究的相關論文發(fā)表在學術刊物《自然通訊》上。
氫能源發(fā)熱值是汽油3倍
氫能，是公認的清潔能源。早在20世紀70年代，氫能經(jīng)濟這一概念就被提出。簡單來說，其設想了用太陽光驅(qū)動，利用水制造氫氣，并以氫為媒介（制備、儲存、運輸和轉化）取代現(xiàn)有的石油經(jīng)濟體系，從而達到環(huán)?？稍偕哪繕?。
關于氫能的優(yōu)勢，上述論文的通訊作者、我國科學技術大學化學和材料科學學院江俊教授提到三點：其一，氫氣含能高，除核燃料外，氫的發(fā)熱值是目前所有燃料中最高的，是汽油的3倍。氫的高能，使氫成為推進航天器的重要燃料之一。其二，氫氣是一種清潔能源，本身無毒，燃燒產(chǎn)物是水，無污染，且可以循環(huán)使用。第三，氫的來源也非常廣泛，除了礦物燃料制氫外，無處不在的水也被稱為氫礦。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
目前，氫能的應用重要以燃料動力電池為核心。燃料動力電池概念最早由英國威爾士科學家格羅夫（WilliamGrove）于1839年提出，燃料和空氣分別送進燃料動力電池，電就被生產(chǎn)出來。它從外表上看有正負極和電解質(zhì)等，像一個蓄電池，但實質(zhì)上它不能儲電而是一個發(fā)電廠。
氫燃料動力電池和普通電池的差別重要在于：干電池、蓄電池是一種儲能裝置，是把電能貯存起來，要時再釋放出來；而氫燃料動力電池嚴格地說是一種把化學能直接轉化為電能的發(fā)電裝置。
氫能源成本和安全仍有局限
浙江大學化學工程和生物工程學系趙永志副教授等專家認為，氫能源在包括燃料動力電池汽車、分布式發(fā)電、應急電源等領域的應用，已接近產(chǎn)業(yè)化。
在氫燃料動力電池汽車方面，日本的研究走得很早，如豐田甚至有實驗性質(zhì)的氫燃料動力電池汽車Mirai，并且已經(jīng)少量上市銷售。在國內(nèi)，氫燃料動力電池汽車開發(fā)也緊隨其后，在北京奧運會、上海世博會、廣州亞運會及深圳大運會期間，我國都開展了燃料動力電池汽車的示范項目。
清華大學汽車工程系李建秋教授認為，預計到2020年，國內(nèi)燃料動力電池汽車將有1萬輛左右示范運行，從2025年開始，燃料動力電池汽車產(chǎn)量將會大幅度提高，按照每年10萬輛的速度遞增。
不過，成本和安全上的考慮仍無法回避。如同濟大學汽車學院副研究員鄭俊生曾表示，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，氫燃料動力電池的催化劑是鉑金類金屬，其價格高昂，雖然技術進步大幅減少了使用量，但仍然制約了氫燃料動力電池的成本。此外，由于氫氣的貯藏和運輸面對特殊困難，同時加氫站作為氫燃料動力電池汽車重要基礎設施建設成本較高，均限制了其推廣。
而分布式發(fā)電，一般是指靠近最終用戶處（廠、商業(yè)公司、公共建筑、街區(qū)、私人住戶）的集成或者單機的小型發(fā)電裝置。目前，以燃料動力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。
另外，作為應急電源，氫燃料動力電池相較鉛酸蓄電池來說，其具有的能源效率高、環(huán)境友好、占地面積小、質(zhì)量輕、運行穩(wěn)定可靠、壽命長等特點，也開始受到應急電源市場越來越多的青睞。目前，在通信領域，用燃料動力電池做應急電源已不罕見，如我國三大電信運營商也已經(jīng)有燃料動力電池備用電源投入使用。
蘭州大學物理學博士褚士兵在其論文中寫道，高效的氫氣儲存是燃料動力電池進行廣泛商業(yè)應用的一個條件。但是現(xiàn)在多數(shù)的氫氣儲存方法，包括壓縮、液化、金屬氧化物，都難以達到完全取代化石燃料的最低標準。
關于氫燃料動力電池，科學家的另一種儲存思路是，把氫氣通過物理或者化學吸附形成固態(tài)物質(zhì)，比如和金屬原子形成金屬氫化物，和有機分子形成化學氫化物。此外，利用大表面材料如富勒烯、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，英國曼徹斯特大學安德烈海姆教授和康斯坦丁諾沃肖羅夫博士等，用膠帶反復剝離高定向熱解石墨的方法，得到了穩(wěn)定存在的石墨烯。由于石墨烯優(yōu)異的電學、光學和機械性能，以及石墨烯廣泛的應用前景，其發(fā)現(xiàn)者海姆和諾沃肖羅夫被授予2010年度諾貝爾物理學獎。
成功制得石墨烯之后，海姆團隊進一步研究，證實石墨烯能讓質(zhì)子穿透，這意味著可將空氣中的氫氣制成燃料動力電池，出現(xiàn)電力和水分，成為一種無碳、無污染的革命性環(huán)保能源。
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，卻對質(zhì)子能夠網(wǎng)開一面，大方放行。利用這一大自然給質(zhì)子開的方便之門，江俊等設計了一種三明治結構，將碳氮材料夾在兩層石墨烯中。
這種夾心的三明治結構可以同時吸收紫外光和可見光，利用源源不斷的太陽光能出現(xiàn)正負電荷，將帶有能量的正負電荷迅速分離，并分別跑到外層石墨烯和碳氮夾心層，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，出現(xiàn)質(zhì)子。這些質(zhì)子可穿透石墨烯，遇到電子后反應出現(xiàn)氫氣。由于只有質(zhì)子能夠通過石墨烯，而出現(xiàn)的氫氣不能穿透石墨烯，光解水出現(xiàn)的氫氣分子被安全地保留在三明治復合體系內(nèi)。同時，氧原子、氧氣、羥基等物質(zhì)無法進入復合體系，從而抑制了氧和氫重新變?yōu)樗哪娣磻l(fā)生，實現(xiàn)了高儲氫率下的安全儲氫。
江俊介紹，不僅是石墨烯和碳氮材料，其他如富勒烯、碳納米管等和光催化劑也可用于這一復合體系中。這為實現(xiàn)太陽能裂解水轉換為氫能創(chuàng)造了可能，并進而有助于氫能的大規(guī)模應用。
