中科大用石墨烯實(shí)現(xiàn)“太陽能制氫儲氫一體化” 助推氫燃料電池發(fā)展
時間:2017-07-31 16:25來源:南方日報 作者:王詩堃
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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(xué)技術(shù)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)研究顯示，利用石墨烯材料做“容器”，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，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。
氫能源發(fā)熱值是汽油3倍
氫能，是公認(rèn)的清潔能源。早在20世紀(jì)70年代，“氫能經(jīng)濟(jì)”這一概念就被提出。簡單來說，其設(shè)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(yùn)輸和轉(zhuǎn)化）取代現(xiàn)有的石油經(jīng)濟(jì)體系，從而達(dá)到環(huán)保可再生的目標(biāo)。
對于氫能的優(yōu)勢，上述論文的通訊作者、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(diǎn)：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(jìn)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”。
目前，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，燃料和空氣分別送進(jìn)燃料電池，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，像一個蓄電池，但實(shí)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、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(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。
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，氫能源在包括燃料電池汽車、分布式發(fā)電、應(yīng)急電源等領(lǐng)域的應(yīng)用，已接近產(chǎn)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(shí)驗(yàn)性質(zhì)的氫燃料電池汽車Mirai，并且已經(jīng)少量上市銷售。在國內(nèi)，氫燃料電池汽車開發(fā)也緊隨其后，在北京奧運(yùn)會、上海世博會、廣州亞運(yùn)會及深圳大運(yùn)會期間，中國都開展了燃料電池汽車的示范項(xiàng)目。
清華大學(xué)汽車工程系李建秋教授認(rèn)為，預(yù)計到2020年，國內(nèi)燃料電池汽車將有1萬輛左右示范運(yùn)行，從2025年開始，燃料電池汽車產(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(jì)大學(xué)汽車學(xué)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(shù)進(jìn)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(yùn)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(chǔ)設(shè)施建設(shè)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(jī)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(yīng)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(zhì)量輕、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、壽命長等特點(diǎn)，也開始受到應(yīng)急電源市場越來越多的青睞。目前，在通信領(lǐng)域，用燃料電池做應(yīng)急電源已不罕見，如我國三大電信運(yùn)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，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。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(dá)到完全取代化石燃料的最低標(biāo)準(zhǔn)。
對于氫燃料電池，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)，比如與金屬原子形成金屬氫化物，與有機(jī)分子形成化學(xué)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(shí)現(xiàn)安全儲氫
2004年，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，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。由于石墨烯優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)和機(jī)械性能，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。
成功制得石墨烯之后，海姆團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究，證實(shí)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電池，產(chǎn)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(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(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。
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，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，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(chǎn)生質(zhì)子。這些質(zhì)子可穿透石墨烯，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，而產(chǎn)生的氫氣不能穿透石墨烯，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，氧原子、氧氣、羥基等物質(zhì)無法進(jìn)入復(fù)合體系，從而抑制了氧與氫重新變?yōu)樗哪娣磻?yīng)發(fā)生，實(shí)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(fù)合體系中。這為實(shí)現(xiàn)太陽能裂解水轉(zhuǎn)換為氫能創(chuàng)造了可能，并進(jìn)而有助于氫能的大規(guī)模應(yīng)用。
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