利用水作為閥門實(shí)現(xiàn)氫氣在碳納米管中的有效存

氫氣是世界上*輕的氣體，密度僅為空氣的1/14, 作為一種可再生的新型燃料，其能量密度接近傳統(tǒng)化石燃料的3倍，且燃燒后的*終產(chǎn)物只有水，可實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的零污染排放。因此，氫氣被認(rèn)為是*理想的清潔能 源，有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石燃料（如石油、煤炭和天然氣等）解決環(huán)境污染、溫室效應(yīng)等問題。然而，氫氣易燃、易爆、易擴(kuò)散，需要龐大而笨重的高壓鋼瓶來(lái)存儲(chǔ)，不 但有很大的**隱患，且氫氣儲(chǔ)存效率極低，極大地限制了氫能在運(yùn)輸工具中的應(yīng)用。因此，發(fā)展**、低成本、高效率的氫儲(chǔ)存技術(shù)迫在眉睫。

 

*近，中物院成都科學(xué)技術(shù)發(fā)展中心、成都綠色能源與綠色制造研發(fā)中心劉煥明、黃家偉教授研究團(tuán)隊(duì)與四川大學(xué)陳云貴教授、香港中文大學(xué)劉志鋒教授開展聯(lián)合研 究，在利用碳納米管儲(chǔ)存氫氣方面取得了重要進(jìn)展。他們用密度僅為鋼鐵1/6的單壁碳納米管代替笨重的鋼瓶存儲(chǔ)氫氣，將5 MPa的氫氣壓縮進(jìn)入碳納米管的納米空腔內(nèi)，同時(shí)用結(jié)冰的水將壓縮氫氣封堵在納米管中，并通過冰在一定溫度下的融化來(lái)實(shí)現(xiàn)氫氣釋放。相關(guān)研究發(fā)表在《能源技術(shù)》（Energy Technology）上。

 

碳納米管是一種一維的管狀納米材料，質(zhì)量輕，具有極高的機(jī)械強(qiáng)度，理論預(yù)測(cè)其單原子層厚度的管壁*大可承受40 GPa的氣壓。這種材料過去被用作儲(chǔ)氫材料，主要是依靠其在77 K 的低溫下表面吸附氫氣，這種方式儲(chǔ)存的氫氣量不到2 wt%。但理論計(jì)算顯示在將1GPa的氫氣儲(chǔ)存在空腔直徑約0.52 nm的碳納米管內(nèi)時(shí)，納米管氫氣存儲(chǔ)量可高達(dá)10 wt%，高于美國(guó)能源部2015年儲(chǔ)氫容量目標(biāo)（9.0 wt%）。因此，碳納米管可以作為一種理想的儲(chǔ)氫納米容器。然而，如何將這些高壓氫氣封堵在開端口的碳管內(nèi)是十分棘手的問題。科研人員將單壁碳納米管進(jìn)行 氧化，使其端口處帶上羧基、羥基等極性官能團(tuán)，當(dāng)5MPa氫氣充入這些被氧化的碳管的納米空腔后，添加的少量水可以通過與極性官能團(tuán)氫鍵作用而自組裝到碳 管端口。在低溫下，水結(jié)成冰可以作為閥門將壓縮氫氣有效地封堵在碳管中而不會(huì)泄露；再次升溫后，冰融化，氫氣可以從碳管中釋放出來(lái)。這樣，水可以作為碳納 米管容器的閥門，在升降溫過程中，通過水的結(jié)冰和融化而巧妙地控制閥門的開關(guān)，從而有效存儲(chǔ)和釋放高壓氫氣。這一發(fā)現(xiàn)，給我們帶來(lái)了碳納米管儲(chǔ)氫的新認(rèn) 識(shí)，有望開辟一條全新的高效儲(chǔ)氫路徑，在輕質(zhì)、高儲(chǔ)能密度領(lǐng)域（為汽車、火箭、飛機(jī)等提供動(dòng)力）有著非常巨大的應(yīng)用前景。