石墨烯儲(chǔ)氫，大有可為
閱讀次數(shù)：563 更新時(shí)間：2021-08-14
氫氣被認(rèn)為21世紀(jì)最低碳環(huán)保的能源之一。氫能具有清潔無(wú)污染、來(lái)源廣泛、燃燒性能好、潛在經(jīng)濟(jì)效益高、可由化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能夠儲(chǔ)存能量，具有質(zhì)量輕、能量密度高、綠色環(huán)保、儲(chǔ)存方式與利用形式多樣、可持續(xù)發(fā)展等特點(diǎn)，是一種重要的二次能源，因而引起了世界各國(guó)的能源開(kāi)發(fā)者們的廣泛關(guān)注。
氫能系統(tǒng)
氫氣的儲(chǔ)存方法分為兩大類(lèi)。一類(lèi)是物理儲(chǔ)氫方法，例如低溫液化儲(chǔ)氫法、玻璃微球儲(chǔ)氫法、高壓壓縮儲(chǔ)氫法若干類(lèi)。第二類(lèi)為化學(xué)儲(chǔ)氫方法，包括：配位氫化物儲(chǔ)氫法、金屬氫化物儲(chǔ)氫法以及碳基納米材料儲(chǔ)氫法若干類(lèi)。
石墨烯儲(chǔ)氫原理
石墨烯特殊的結(jié)構(gòu)賦予它質(zhì)量輕、比表面積巨大、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，使它成為儲(chǔ)氫材料中的首選材料。石墨烯儲(chǔ)氫原理主要分為以下三種：
一是石墨烯的物理吸附，利用石墨烯優(yōu)異的比表面積，將氫氣以分子的形式儲(chǔ)存和釋放。該技術(shù)不會(huì)出現(xiàn)原子態(tài)氫，但是主要問(wèn)題是未經(jīng)摻雜的純石墨烯和氫分子的結(jié)合能過(guò)低，導(dǎo)致氫氣的儲(chǔ)存需要在很低的溫度條件下。
二是通過(guò)摻雜其他元素制備改性石墨烯，達(dá)到理想儲(chǔ)氫效果。目前摻雜元素主要集中在堿金屬、堿土金屬、過(guò)渡金屬及類(lèi)金屬等元素上，改性后的石墨烯能夠充分提高材料的儲(chǔ)氫能力。
三是利用石墨烯將氫能轉(zhuǎn)化為其他形式的能達(dá)到儲(chǔ)氫的目的。例如利用石墨烯優(yōu)異的電化學(xué)性能將氫能快速的轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，達(dá)到電化學(xué)儲(chǔ)氫的目的。
石墨烯儲(chǔ)氫性能的改進(jìn)方法
由石墨烯儲(chǔ)氫的原理可以知道，單純用石墨烯并不能達(dá)到我們想要的儲(chǔ)氫效果，而通過(guò)摻雜其他元素制備改性石墨烯，可以達(dá)到理想的儲(chǔ)氫效果。
①堿金屬摻雜
通過(guò)在石墨烯中摻雜堿金屬（Alkalimetals,AM），能夠大幅度提高石墨烯與氫分子的結(jié)合能。摻雜堿金屬的石墨烯與氫分子發(fā)生相互作用，誘發(fā)氫分子發(fā)生極化，其中化學(xué)吸附占主導(dǎo)地位，直接導(dǎo)致了較強(qiáng)的氫氣結(jié)合能和較高的氫氣儲(chǔ)存能力。
摻雜堿金屬后石墨烯的主要性質(zhì)
②堿土金屬修飾
堿土金屬（Alkaliearth metals,AEM）與堿金屬在化學(xué)性質(zhì)上很相似，當(dāng)使用這類(lèi)金屬元素修飾石墨烯時(shí)，可改變石墨烯的電子狀態(tài)，使得氫氣分子在石墨烯表面的吸附更容易進(jìn)行，從而大幅提高儲(chǔ)氫能力。
摻雜堿土金屬后石墨烯的主要性質(zhì)
③非金屬元素?fù)诫s
金屬原子修飾的石墨烯雖然可以吸附氫氣，但是它與石墨烯的結(jié)合能較小，極有可能在自身較高內(nèi)聚能的作用下發(fā)生團(tuán)聚，從而削弱石墨烯的儲(chǔ)氫能力。如果摻雜非金屬元素，則有助于進(jìn)一步提高修飾原子與石墨烯的結(jié)合能。
摻雜硼、氮和硅等非金屬后石墨烯的主要性質(zhì)
④過(guò)渡金屬元素?fù)诫s
研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)渡金屬元素（Transitional materals,TM）與Ｈ2之間的Kubas作用增強(qiáng)了摻雜石墨烯對(duì)氫氣的吸附能力。原因?yàn)樵撟饔檬沟脷錃獾模箅娮愚D(zhuǎn)移到過(guò)渡金屬的空ｄ軌道，而過(guò)渡金屬填充的ｄ電子也會(huì)轉(zhuǎn)移到Ｈ2的空軌道，形成反成鍵，使得被吸附的氫氣介于物理吸附與化學(xué)吸附之間的中間狀態(tài)。對(duì)于儲(chǔ)氫材料來(lái)說(shuō)，這也是所期望得到的結(jié)果。
摻雜過(guò)渡族金屬后石墨烯的主要性質(zhì)
石墨烯儲(chǔ)氫研究方向
盡管在石墨烯儲(chǔ)氫材料領(lǐng)域取得了的巨大的研究進(jìn)展但還有許多問(wèn)題值得進(jìn)一步深入研究，比如：
（1）繼續(xù)研究輕金屬配位氫化物儲(chǔ)氫體系，尋找集各種單體儲(chǔ)氫材料優(yōu)點(diǎn)于一體的復(fù)合儲(chǔ)氫體系。
（2）研究如何有效的克服石墨烯與其他納米材料復(fù)合所產(chǎn)生的團(tuán)聚現(xiàn)象。
（3）通過(guò)實(shí)驗(yàn)試著將輕金屬配位氫化物與石墨烯進(jìn)行復(fù)合測(cè)試其儲(chǔ)氫容量。
參考來(lái)源：
羅連偉.儲(chǔ)氫材料的研究分析
傅建龍.新型氫能儲(chǔ)備技術(shù)研究進(jìn)展現(xiàn)狀
朱恩福.石墨烯儲(chǔ)氫性能的研究進(jìn)展
文章來(lái)源：石墨烯網(wǎng)
原標(biāo)題：《【行業(yè)動(dòng)態(tài)】石墨烯儲(chǔ)氫，大有可為》
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