氮化硼”登上最佳儲氫材料寶座

      學(xué)化學(xué)的朋友應(yīng)該知道，氮化硼是由氮原子和硼原子所構(gòu)成的晶體。近日萊斯大學(xué)的一項研究發(fā)現(xiàn)“柱撐氮化硼-石墨烯”是一種絕佳的儲氫材料，這一發(fā)現(xiàn)可能為氫動力新能源汽車帶來突破。

      研究通過計算機模擬實現(xiàn)，第一步需要先制作氮化硼-石墨烯結(jié)構(gòu)：先模擬出堅韌又富有彈性的柱撐石墨烯結(jié)構(gòu)，然后將氮化硼納米管和石墨烯無縫結(jié)合形成獨特的三維結(jié)構(gòu)。

      柱撐氮化硼-石墨烯儲氫的原理并不復(fù)雜，我們都知道在建筑中使用柱子承重可以創(chuàng)造出更多的空間。基于相同的原理，氮化硼-石墨烯中的“柱子”也能為氫原子騰出空間，但難點在于如何進一步增加放進去的氫原子數(shù)量，并在需要的時候?qū)⑺鼈冡尫懦鰜?，這也是此項研究的重點。

      根據(jù)沙薩瓦里實驗室最新的分子動力學(xué)模擬顯示，若向材料中添加氧或鋰將使它們結(jié)合氫的能力進一步提升。他們的這一計算研究主要針對四個變體：分別摻雜氧、鋰的柱撐氮化硼和柱撐氮化硼-石墨烯結(jié)構(gòu)。 結(jié)果顯示，在室溫和環(huán)境壓力下，氧摻雜的氮化硼-石墨烯的儲氫能力是最好的，其能攜帶11.6%重量的氫并有著約60克/升的儲氫容量，在這一點上它打敗了包括多孔氮化硼、金屬氧化物骨架(mo frameworks)和碳納米管在內(nèi)的諸多競爭者。此外，在-321華氏度的低溫下，氧摻雜的氮化硼-石墨烯的儲氫重量可以進一步提升至14.77%。

      那么這個儲氫能力究竟如何呢？作為對比可以看一下目前美國能源部對經(jīng)濟型儲氫介質(zhì)規(guī)定的目標——在常規(guī)條件下達到5.5%的氫氣儲存重量和40克/升的儲存容量、即使是終極目標也不過7.5%的儲存重量和70克/升的儲存容量。

      “氧和氫具有良好的化學(xué)親和力，因此向基底中摻入氧氣使材料能夠更好地結(jié)合氫氣”，沙薩瓦里這樣解釋摻雜提高儲氫能力的原因。除此之外，氮化硼與石墨烯結(jié)合后所體現(xiàn)出的極化性質(zhì)、石墨烯自身的高電子遷移率等特性，也使得材料在實際應(yīng)用中變得高度可調(diào)。

      “我們目前正在努力尋找最佳配置，”沙薩瓦里說道，這個最佳配置應(yīng)是一種材料的表面積和重量、溫度和壓力之間的平衡?！坝嬎憬Ｊ悄壳皝碚f來唯一實際的研究辦法，因為在計算機上可以很快地測試許多變量試驗，而實際做的話往往要花費數(shù)個月的時間?！?br />
      目前來看，這種材料能夠輕易實現(xiàn)能源部規(guī)定的氫燃料罐要可以承受1500次充放循環(huán)的要求，并且研究者認為其已經(jīng)足夠穩(wěn)健實用。