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氮化硼-石墨烯或成最佳儲氫材料

發布日期:2018-11-28 作者: 點擊:

近日萊斯大學的一項研究發現“柱撐氮化硼-石墨烯”(graphene separated by nanotube pillars of boron nitride)是一種絕佳的儲氫材料,這一發現可能為氫動力新能源汽車帶來突破。 該研究的主要作者是萊斯實驗室的材料科學家魯茲貝赫·沙薩瓦里(Rouzbeh Shahsavari)和法爾扎內·沙亞甘法(Farzaneh Shayeganfar),相關論文刊登在美國化學學會《Langmuir》期刊上。

氧摻雜柱撐氮化硼-石墨烯,硼原子和氮原子組成了一個個“柱子”,在兩個石墨烯層之間為氫原子“撐”出空間,氧原子摻雜其中。 他們的研究通過計算機模擬實現,第一步需要先制作氮化硼-石墨烯結構:先模擬出堅韌又富有彈性的柱撐石墨烯結構,然后將氮化硼納米管和石墨烯無縫結合形成獨特的三維結構。 柱撐氮化硼-石墨烯儲氫的原理并不復雜,我們都知道在建筑中使用柱子承重可以創造出更多的空間。基于相同的原理,氮化硼-石墨烯中的“柱子”也能為氫原子騰出空間,但難點在于如何進一步增加放進去的氫原子數量,并在需要的時候將它們釋放出來,這也是此項研究的重點。 根據沙薩瓦里實驗室最新的分子動力學模擬顯示,若向材料中添加氧或鋰將使它們結合氫的能力進一步提升。 他們的這一計算研究主要針對四個變體:分別摻雜氧、鋰的柱撐氮化硼和柱撐氮化硼-石墨烯結構。

結果顯示,在室溫和環境壓力下,氧摻雜的氮化硼-石墨烯的儲氫能力是最好的,其能攜帶11.6%重量的氫并有著約60克/升的儲氫容量,在這一點上它打敗了包括多孔氮化硼、金屬氧化物骨架(MO frameworks)和碳納米管在內的諸多競爭者。 此外,在-321華氏度的低溫下,氧摻雜的氮化硼-石墨烯的儲氫重量可以進一步提升至14.77%。

那么這個儲氫能力究竟如何呢?作為對比可以看一下目前美國能源部對經濟型儲氫介質規定的目標——在常規條件下達到5.5%的氫氣儲存重量和40克/升的儲存容量、即使是終極目標也不過7.5%的儲存重量和70克/升的儲存容量。 “氧和氫具有良好的化學親和力,因此向基底中摻入氧氣使材料能夠更好地結合氫氣”,沙薩瓦里這樣解釋摻雜提高儲氫能力的原因。除此之外,氮化硼與石墨烯結合后所體現出的極化性質、石墨烯自身的高電子遷移率等特性,也使得材料在實際應用中變得高度可調。 “我們目前正在努力尋找最佳配置,”沙薩瓦里說道,這個最佳配置應是一種材料的表面積和重量、溫度和壓力之間的平衡。“計算建模是目前來說來唯一實際的研究辦法,因為在計算機上可以很快地測試許多變量試驗,而實際做的話往往要花費數個月的時間。”

目前來看,這種材料能夠輕易實現能源部規定的氫燃料罐要可以承受1500次充放循環的要求,并且研究者認為其已經足夠穩健實用。

 


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