氫是地球和宇宙中最輕，最豐富的元素。因此，對(duì)于汽車以及從便攜式發(fā)電機(jī)到電信塔等各種其他用途的氫氣作為清潔，無(wú)碳，幾乎無(wú)限的能源來(lái)源，氫氣是唯一的副產(chǎn)品，這應(yīng)該不足為奇。燃燒雖然使氫能源與現(xiàn)有的汽車推進(jìn)系統(tǒng)和其他能源技術(shù)相比仍然存在科學(xué)挑戰(zhàn)，但美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（伯克利實(shí)驗(yàn)室）的研究人員開(kāi)發(fā)了一種類似電池的新材料配方。氫燃料電池-圍繞吸氫鎂納米晶體與原子級(jí)薄石墨烯片-以推動(dòng)其在關(guān)鍵領(lǐng)域的性能。

石墨烯保護(hù)納米晶體免受氧氣，水分和污染物的影響，而微小的天然孔洞允許較小的氫分子通過(guò)。該過(guò)濾方法克服了降低用于儲(chǔ)氫的金屬氫化物的性能的常見(jiàn)問(wèn)題，這些石墨烯包裹的鎂晶體充當(dāng)氫的“海綿”，提供了一種非常緊湊和安全的方式來(lái)吸收和儲(chǔ)存氫氣。納米晶體還允許更快的加油，并減少整體“罐”尺寸，在用于燃料電池汽車應(yīng)用的氫存儲(chǔ)的金屬氫化物基材料中，我們的材料在容量，可逆性，動(dòng)力學(xué)和穩(wěn)定性方面具有良好的性能，”伯克利實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員EunSeonCho說(shuō)道。最近在NatureCommunications上發(fā)表的有關(guān)新燃料電池配方的研究。

薄片氧化石墨烯（紅色片）具有天然的原子級(jí)缺陷，允許氫氣分子通過(guò)，同時(shí)阻擋較大的分子，如氧氣（O2）和水（H2O）。伯克利實(shí)驗(yàn)室的研究人員封裝了，在使用這些材料的氫燃料電池驅(qū)動(dòng)的車輛中，被稱為“金屬氫化物”（與金屬結(jié)合的氫）燃料電池，泵入車輛的氫氣將被鎂納米晶粉末化學(xué)吸收并在低壓下安全，伯克利實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家兼合著者JeffUrban說(shuō)：“這項(xiàng)工作表明了未來(lái)實(shí)際儲(chǔ)氫和使用的可能性。我相信這些材料代表了一種普遍適用的方法來(lái)穩(wěn)定活性材料，同時(shí)仍然利用它們的獨(dú)特性活動(dòng)概念，可以廣泛應(yīng)用于電池，催化和高能材料。

這項(xiàng)研究在伯克利實(shí)驗(yàn)室的分子鑄造和先進(jìn)光源進(jìn)行，是國(guó)家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)盟的一部分，該聯(lián)盟被稱為HyMARC（氫材料-高級(jí)研究聯(lián)盟），尋求更安全和更具成本效益的儲(chǔ)氫，Urban是伯克利實(shí)驗(yàn)室的首席科學(xué)家為了那個(gè)努力，2015年，包括全電動(dòng)，混合動(dòng)力車和插電式混合動(dòng)力汽車在內(nèi)的所有電動(dòng)汽車的美國(guó)市場(chǎng)份額為2.87％，相當(dāng)于約50萬(wàn)輛電動(dòng)汽車，占汽車總銷量的約1740萬(wàn)輛。以統(tǒng)計(jì)由電驅(qū)動(dòng)運(yùn)輸協(xié)會(huì)，行業(yè)協(xié)會(huì)促進(jìn)電力驅(qū)動(dòng)汽車的報(bào)道，盡管包括豐田，本田和通用汽車在內(nèi)的幾家主要汽車制造商已投資開(kāi)發(fā)氫燃料電池汽車，但氫燃料電池汽車尚未在汽車銷售方面取得重大進(jìn)展。事實(shí)上，豐田去年在美國(guó)發(fā)布了一款名為Mirai的小型生產(chǎn)型號(hào)，該型號(hào)使用壓縮氫氣罐。

氫燃料電池汽車的潛在優(yōu)勢(shì)，除了降低對(duì)標(biāo)準(zhǔn)燃料汽車的環(huán)境影響之外，還有氫的高比能，這意味著氫燃料電池可能比其他電池系統(tǒng)和燃料的重量更輕。在產(chǎn)生更多電能的同時(shí)獲得能源，衡量每重量氫燃料電池的能量存儲(chǔ)容量，稱為“重量能量密度”，大約是汽油的三倍。Urban指出，如果有效使用這一重要特性，可以擴(kuò)大氫基運(yùn)輸?shù)恼嚪秶⒀娱L(zhǎng)許多其他應(yīng)用的加油時(shí)間，Cho說(shuō)，需要更多的研發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)超過(guò)現(xiàn)有電動(dòng)車電池性能的遠(yuǎn)程車輛應(yīng)用的更高容量的氫存儲(chǔ)，其他應(yīng)用可能在短期內(nèi)更適合氫燃料電池，例如靜止電源，叉車和機(jī)場(chǎng)車輛，便攜式電源，如筆記本電池充電器，便攜式照明，供水和污水泵以及應(yīng)急服務(wù)設(shè)備。

Cho表示，金屬氫化物儲(chǔ)存的障礙在單位循環(huán)過(guò)程中吸收（吸收）和釋放（解吸）氫氣的速度相對(duì)較慢。在燃料電池中，涉及氫和氧的單獨(dú)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電子流，其被引導(dǎo)為電流，從而產(chǎn)生水作為副產(chǎn)物，Cho表示，伯克利實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的石墨烯封裝的納米晶體的尺寸很小，僅約3-4納米，或十億分之一米，是新型燃料電池材料快速捕獲和釋放氫氣的關(guān)鍵。因?yàn)樗鼈兙哂斜容^大尺寸的相同材料可用于反應(yīng)的更多表面積，她補(bǔ)充說(shuō)，另一個(gè)關(guān)鍵是保護(hù)鎂免受暴露在空氣中，這會(huì)使燃料電池?zé)o法使用。

在TheMolecularFoundry工作，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)單，可擴(kuò)展且具有成本效益的“單鍋”技術(shù)，可以在同一批次中混合石墨烯片和氧化鎂納米晶體。他們后來(lái)在伯克利實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)光源中使用X射線研究了涂層納米晶體的結(jié)構(gòu)。X射線研究表明，泵入燃料電池混合物的氫氣如何與鎂納米晶體反應(yīng)形成更穩(wěn)定的分子，稱為氫化鎂，同時(shí)阻止氧氣到達(dá)鎂，它在空氣中穩(wěn)定，這很重要，”Cho說(shuō)，研究的后續(xù)步驟將集中在使用不同類型的催化劑-這可以提高化學(xué)反應(yīng)的速度和效率-進(jìn)一步改善燃料電池的電流轉(zhuǎn)換，并研究不同類型的材料是否也可以改善燃料電池的Cho說(shuō)，整體能力。