氢能源电池堪比移动发电站，一材料可解决安全问题

三明治，不少人都品尝过，但今天本期科技能见度要说的“三明治”，却非常神奇，它可以让我们传统储存电能的电池变成一个小型发电厂，而且与传统电池区别最大的是，它还是一种清洁能源。



近日，中国科学技术大学科研团队的一项研究显示，利用石墨烯材料做“容器”，采用类似“三明治”的结构，有望解决高储氢率下的安全储氢以及低成本收集氢气两方面问题，从而促成氢气燃料电池的发展。该研究的相关论文发表在学术刊物《自然·通讯》上。

氢能源发热值是汽油3倍

氢能，是公认的清洁能源。早在20世纪70年代，“氢能经济”这一概念就被提出。简单来说，其设想了用太阳光驱动，利用水制造氢气，并以氢为媒介（制备、储存、运输和转化）取代现有的石油经济体系，从而达到环保可再生的目标。



对于氢能的优势，上述论文的通讯作者、中国科学技术大学化学与材料科学学院江俊教授提到三点：其一，氢气含能高，除核燃料外，氢的发热值是目前所有燃料中最高的，是汽油的3倍。氢的高能，使氢成为推进航天器的重要燃料之一。其二，氢气是一种清洁能源，本身无毒，燃烧产物是水，无污染，且可以循环使用。第三，氢的来源也非常广泛，除了矿物燃料制氢外，无处不在的水也被称为“氢矿”。



目前，氢能的应用主要以燃料电池为核心。燃料电池概念最早由英国威尔士科学家格罗夫（William Grove）于1839年提出，燃料和空气分别送进燃料电池，电就被生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。



氢燃料电池与普通电池的区别主要在于：干电池、蓄电池是一种储能装置，是把电能贮存起来，需要时再释放出来；而氢燃料电池严格地说是一种把化学能直接转化为电能的发电装置。



氢能源成本和安全仍有局限

浙江大学化学工程与生物工程学系赵永志副教授等专家认为，氢能源在包括燃料电池汽车、分布式发电、应急电源等领域的应用，已接近产业化。



在氢燃料电池汽车方面，日本的研究“走得很早”，如丰田甚至有实验性质的氢燃料电池汽车Mirai，并且已经少量上市销售。在国内，氢燃料电池汽车开发也紧随其后，在北京奥运会、上海世博会、广州亚运会及深圳大运会期间，中国都开展了燃料电池汽车的示范项目。



清华大学汽车工程系李建秋教授认为，预计到2020年，国内燃料电池汽车将有1万辆左右示范运行，从2025年开始，燃料电池汽车产量将会大幅度提高，按照每年10万辆的速度递增。



不过，成本和安全上的考虑仍无法回避。如同济大学汽车学院副研究员郑俊生曾表示，电池价格高企是制约氢燃料汽车发展的瓶颈之一。他解释，氢燃料电池的催化剂是铂金类金属，其价格高昂，虽然技术进步大幅减少了使用量，但仍然制约了氢燃料电池的成本。此外，由于氢气的贮藏与运输面临特殊困难，同时加氢站作为氢燃料电池汽车重要基础设施建设成本较高，均限制了其推广。



而“分布式发电”，一般是指靠近最终用户处（工厂、商业企业、公共建筑、街区、私人住户）的集成或者单机的小型发电装置。目前，以燃料电池为主的分布式发电已在欧美及日韩等地区开始初步商业化。



另外，作为应急电源，氢燃料电池相较铅酸蓄电池来说，其具有的能源效率高、环境友好、占地面积小、质量轻、运行稳定可靠、寿命长等特点，也开始受到应急电源市场越来越多的青睐。目前，在通信领域，用燃料电池做应急电源已不罕见，如我国三大电信运营商也已经有燃料电池备用电源投入使用。



兰州大学物理学博士褚士兵在其论文中写道，高效的氢气储存是燃料电池进行广泛商业应用的一个条件。但是现在多数的氢气储存方法，包括压缩、液化、金属氧化物，都难以达到完全取代化石燃料的最低标准。



对于氢燃料电池，科学家的另一种储存思路是，把氢气通过物理或者化学吸附形成固态物质，比如与金属原子形成金属氢化物，与有机分子形成化学氢化物。此外，利用大表面材料如富勒烯、石墨烯等吸附也是一种思路。



用石墨烯可实现安全储氢

2004年，英国曼彻斯特大学安德烈·海姆教授和康斯坦丁·诺沃肖罗夫博士等，用胶带反复剥离高定向热解石墨的方法，得到了稳定存在的石墨烯。由于石墨烯优异的电学、光学和机械性能，以及石墨烯广泛的应用前景，其发现者海姆和诺沃肖罗夫被授予2010年度诺贝尔物理学奖。



成功制得石墨烯之后，海姆团队进一步研究，证实石墨烯能让质子穿透，这意味着可将空气中的氢气制成燃料电池，产生电力和水分，成为一种无碳、无污染的革命性环保能源。



江俊介绍，他们的研究正是受到了海姆近年工作的启发：石墨烯能够隔绝所有气体和液体，却对质子能够“网开一面”，大方放行。利用这一大自然给质子开的“方便之门”，江俊等设计了一种“三明治”结构，将碳氮材料夹在两层石墨烯中。



这种夹心的“三明治”结构可以同时吸收紫外光和可见光，利用源源不断的太阳光能产生正负电荷，将带有能量的正负电荷迅速分离，并分别跑到外层石墨烯和碳氮夹心层，充分施展出二者各自的能力：石墨烯表面的水分子在正电荷的帮助下分解，产生质子。这些质子可穿透石墨烯，遇到电子后反应产生氢气。由于只有质子能够通过石墨烯，而产生的氢气不能穿透石墨烯，光解水产生的氢气分子被安全地保留在三明治复合体系内。同时，氧原子、氧气、羟基等物质无法进入复合体系，从而抑制了氧与氢重新变为水的逆反应发生，实现了高储氢率下的安全储氢。



江俊介绍，不仅是石墨烯和碳氮材料，其他如富勒烯、碳纳米管等和光催化剂也可用于这一复合体系中。这为实现太阳能裂解水转换为氢能创造了可能，并进而有助于氢能的大规模应用。

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