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氮化硼-石墨烯或成最佳储氢材料

发布日期:2018-11-28 作者: 点击:

近日莱斯大学的一项研究发现“柱撑氮化硼-石墨烯”(graphene separated by nanotube pillars of boron nitride)是一种绝佳的储氢材料,这一发现可能为氢动力新能源汽车带来突破。 该研究的主要作者是莱斯实验室的材料科学家鲁兹贝赫·沙萨瓦里(Rouzbeh Shahsavari)和法尔扎内·沙亚甘法(Farzaneh Shayeganfar),相关论文刊登在美国化学学会《Langmuir》期刊上。

氧掺杂柱撑氮化硼-石墨烯,硼原子和氮原子组成了一个个“柱子”,在两个石墨烯层之间为氢原子“撑”出空间,氧原子掺杂其中。 他们的研究通过计算机模拟实现,第一步需要先制作氮化硼-石墨烯结构:先模拟出坚韧又富有弹性的柱撑石墨烯结构,然后将氮化硼纳米管和石墨烯无缝结合形成独特的三维结构。 柱撑氮化硼-石墨烯储氢的原理并不复杂,我们都知道在建筑中使用柱子承重可以创造出更多的空间。基于相同的原理,氮化硼-石墨烯中的“柱子”也能为氢原子腾出空间,但难点在于如何进一步增加放进去的氢原子数量,并在需要的时候将它们释放出来,这也是此项研究的重点。 根据沙萨瓦里实验室最新的分子动力学模拟显示,若向材料中添加氧或锂将使它们结合氢的能力进一步提升。 他们的这一计算研究主要针对四个变体:分别掺杂氧、锂的柱撑氮化硼和柱撑氮化硼-石墨烯结构。

结果显示,在室温和环境压力下,氧掺杂的氮化硼-石墨烯的储氢能力是最好的,其能携带11.6%重量的氢并有着约60克/升的储氢容量,在这一点上它打败了包括多孔氮化硼、金属氧化物骨架(MO frameworks)和碳纳米管在内的诸多竞争者。 此外,在-321华氏度的低温下,氧掺杂的氮化硼-石墨烯的储氢重量可以进一步提升至14.77%。

那么这个储氢能力究竟如何呢?作为对比可以看一下目前美国能源部对经济型储氢介质规定的目标——在常规条件下达到5.5%的氢气储存重量和40克/升的储存容量、即使是终极目标也不过7.5%的储存重量和70克/升的储存容量。 “氧和氢具有良好的化学亲和力,因此向基底中掺入氧气使材料能够更好地结合氢气”,沙萨瓦里这样解释掺杂提高储氢能力的原因。除此之外,氮化硼与石墨烯结合后所体现出的极化性质、石墨烯自身的高电子迁移率等特性,也使得材料在实际应用中变得高度可调。 “我们目前正在努力寻找最佳配置,”沙萨瓦里说道,这个最佳配置应是一种材料的表面积和重量、温度和压力之间的平衡。“计算建模是目前来说来唯一实际的研究办法,因为在计算机上可以很快地测试许多变量试验,而实际做的话往往要花费数个月的时间。”

目前来看,这种材料能够轻易实现能源部规定的氢燃料罐要可以承受1500次充放循环的要求,并且研究者认为其已经足够稳健实用。

 


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