氫能源電池堪比移動發(fā)電站，一材料可解決安全問題

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，而且與傳統(tǒng)電池區(qū)別最大的是，它還是一種清潔能源。



近日，中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，“氫能經濟”這一概念就被提出。簡單來說，其設想了用太陽光驅動，利用水制造氫氣，并以氫為媒介（制備、儲存、運輸和轉化）取代現有的石油經濟體系，從而達到環(huán)保可再生的目標。



對于氫能的優(yōu)勢，上述論文的通訊作者、中國科學技術大學化學與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”。



目前，氫能的應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家格羅夫（William Grove）于1839年提出，燃料和空氣分別送進燃料電池，電就被生產出來。它從外表上看有正負極和電解質等，像一個蓄電池，但實質上它不能“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、蓄電池是一種儲能裝置，是把電能貯存起來，需要時再釋放出來；而氫燃料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

浙江大學化學工程與生物工程學系趙永志副教授等專家認為，氫能源在包括燃料電池汽車、分布式發(fā)電、應急電源等領域的應用，已接近產業(yè)化。



在氫燃料電池汽車方面，日本的研究“走得很早”，如豐田甚至有實驗性質的氫燃料電池汽車Mirai，并且已經少量上市銷售。在國內，氫燃料電池汽車開發(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，中國都開展了燃料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，國內燃料電池汽車將有1萬輛左右示范運行，從2025年開始，燃料電池汽車產量將會大幅度提高，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電池的成本。此外，由于氫氣的貯藏與運輸面臨特殊困難，同時加氫站作為氫燃料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（工廠、商業(yè)企業(yè)、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，用燃料電池做應急電源已不罕見，如我國三大電信運營商也已經有燃料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電池進行廣泛商業(yè)應用的一個條件。但是現在多數的氫氣儲存方法，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。



對于氫燃料電池，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，比如與金屬原子形成金屬氫化物，與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，證實石墨烯能讓質子穿透，這意味著可將空氣中的氫氣制成燃料電池，產生電力和水分，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，卻對質子能夠“網開一面”，大方放行。利用這一大自然給質子開的“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產生正負電荷，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，產生質子。這些質子可穿透石墨烯，遇到電子后反應產生氫氣。由于只有質子能夠通過石墨烯，而產生的氫氣不能穿透石墨烯，光解水產生的氫氣分子被安全地保留在三明治復合體系內。同時，氧原子、氧氣、羥基等物質無法進入復合體系，從而抑制了氧與氫重新變?yōu)樗哪娣磻l(fā)生，實現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。

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