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石墨烯储氢,大有可为

  氢气被认为21世纪最低碳环保的能源之一。氢能具有清洁无污染、来源广泛、燃烧性能好、潜在经济效益高、可由化学能直接转换为电能等优点,同时能够储存能量,具有质量轻、能量密度高、绿色环保、储存方式与利用形式多样、可持续发展等特点,是一种重要的二次能源,因而引起了世界各国的能源开发者们的广泛关注。


氢能系统



氢气的储存方法分为两大类。一类是物理储氢方法,例如低温液化储氢法、玻璃微球储氢法、高压压缩储氢法若干类。第二类为化学储氢方法,包括:配位氢化物储氢法、金属氢化物储氢法以及碳基纳米材料储氢法若干类。


石墨烯储氢原理


石墨烯特殊的结构赋予它质量轻、比表面积巨大、稳定性高等特点,使它成为储氢材料中的首选材料。石墨烯储氢原理主要分为以下三种:


一是石墨烯的物理吸附,利用石墨烯优异的比表面积,将氢气以分子的形式储存和释放。该技术不会出现原子态氢,但是主要问题是未经掺杂的纯石墨烯和氢分子的结合能过低,导致氢气的储存需要在很低的温度条件下。


二是通过掺杂其他元素制备改性石墨烯,达到理想储氢效果。目前掺杂元素主要集中在碱金属、碱土金属、过渡金属及类金属等元素上,改性后的石墨烯能够充分提高材料的储氢能力。


三是利用石墨烯将氢能转化为其他形式的能达到储氢的目的。例如利用石墨烯优异的电化学性能将氢能快速的转化为化学能,达到电化学储氢的目的。


石墨烯储氢性能的改进方法


由石墨烯储氢的原理可以知道,单纯用石墨烯并不能达到我们想要的储氢效果,而通过掺杂其他元素制备改性石墨烯,可以达到理想的储氢效果。


①碱金属掺杂


通过在石墨烯中掺杂碱金属(Alkalimetals,AM),能够大幅度提高石墨烯与氢分子的结合能。掺杂碱金属的石墨烯与氢分子发生相互作用,诱发氢分子发生极化,其中化学吸附占主导地位,直接导致了较强的氢气结合能和较高的氢气储存能力。


掺杂碱金属后石墨烯的主要性质



②碱土金属修饰


碱土金属(Alkaliearth metals,AEM)与碱金属在化学性质上很相似,当使用这类金属元素修饰石墨烯时,可改变石墨烯的电子状态,使得氢气分子在石墨烯表面的吸附更容易进行,从而大幅提高储氢能力。


掺杂碱土金属后石墨烯的主要性质



③非金属元素掺杂


金属原子修饰的石墨烯虽然可以吸附氢气,但是它与石墨烯的结合能较小,极有可能在自身较高内聚能的作用下发生团聚,从而削弱石墨烯的储氢能力。如果掺杂非金属元素,则有助于进一步提高修饰原子与石墨烯的结合能。


掺杂硼、氮和硅等非金属后石墨烯的主要性质



④过渡金属元素掺杂


研究发现,过渡金属元素(Transitional materals,TM)与H2之间的Kubas作用增强了掺杂石墨烯对氢气的吸附能力。原因为该作用使得氢气的s电子转移到过渡金属的空d轨道,而过渡金属填充的d电子也会转移到H2的空轨道,形成反成键,使得被吸附的氢气介于物理吸附与化学吸附之间的中间状态。对于储氢材料来说,这也是所期望得到的结果。


掺杂过渡族金属后石墨烯的主要性质


石墨烯储氢研究方向


尽管在石墨烯储氢材料领域取得了的巨大的研究进展但还有许多问题值得进一步深入研究,比如:


(1)继续研究轻金属配位氢化物储氢体系,寻找集各种单体储氢材料优点于一体的复合储氢体系。


(2)研究如何有效的克服石墨烯与其他纳米材料复合所产生的团聚现象。


(3)通过实验试着将轻金属配位氢化物与石墨烯进行复合测试其储氢容量。


参考来源:

罗连伟.储氢材料的研究分析

傅建龙.新型氢能储备技术研究进展现状

朱恩福.石墨烯储氢性能的研究进展


(中国粉体网编辑整理/墨玉)

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(来源:中国粉体网)

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