中科大用石墨烯實現“太陽能制氫儲氫一體化”助推氫燃料電池發展

三明治，很多人都嘗過，但我們想在這個科學能見度問題上談論的“三明治”非常神奇。它可以將我們儲存電能的傳統電池變成一個小型發電廠，與傳統電池最大的區別在于它仍然是一種清潔能源。

最近，中國科學技術大學研究團隊的一項研究表明，使用石墨烯作為“容器”，采用“三明治”結構，有望解決高儲氫率下的安全儲氫和低成本的儲氫問題，從而促進氫燃料電池的發展。這項研究的相關論文發表在學術期刊《自然通訊》上。氫能的熱值是汽油的三倍，是公認的清潔能源。早在20世紀70年代，“氫能經濟”的概念就被提出了。簡單地說，它設想以陽光為動力，利用水生產氫氣，并以氫氣為介質（制備、儲存、運輸和轉化）來取代現有的石油經濟系統，從而實現環境保護和再生的目標。關于氫能的優勢，上述論文的通訊員、中國科學技術大學化學與材料科學學院蔣軍教授提到了三點：首先，氫的能量含量高，除核燃料外，氫的熱值在所有燃料中最高，是汽油的三倍。氫的高能量使其成為推動航天器的重要燃料之一。其次，氫氣是一種清潔能源，無，燃燒產物是水，無污染，可以回收利用。第三，氫的來源也非常廣泛。除了利用化石燃料生產氫氣外，無處不在的水也被稱為“氫礦”。目前，氫能的應用主要基于燃料電池。1839年，英國的威爾士科學家威廉·格羅夫首次提出了燃料電池的概念。當燃料和空氣被送入燃料電池時，就產生了電。從外表上看，它有正負電極和電解質，就像一個蓄電池，但本質上，它不是一個“發電廠”，而是一個“電廠”。氫燃料電池與普通電池的主要區別在于：干電池和蓄電池是儲能裝置，儲存電能并在必要時釋放；

嚴格來說，氫燃料電池是一種將化學能直接轉化為電能的發電裝置。氫能的成本和安全性仍然有限。浙江大學化學工程與生物工程系趙永志副教授等專家認為，氫能在燃料電池汽車、分布式發電、應急電源等領域的應用已接近工業化。在氫燃料電池汽車方面，日本的研究“走得很早”，比如豐田甚至有一款實驗性的氫燃料電池車Mirai，并且有少量已經投放市場。在中國，氫燃料電池汽車的發展緊隨其后。在北京奧運會、上海世博會、廣州亞運會和深圳大運會期間，中國啟動了燃料電池汽車示范項目。清華大學汽車工程系的李建秋教授認為，到2020年，國內將有約1萬輛燃料電池汽車進行示范運營，從2025年起，燃料電池汽車的產量將大幅增加，以每年10萬輛的速度增長。然而，成本和安全方面的考慮仍然是不可避免的。例如，同濟大學汽車學院副研究員鄭俊生曾表示，電池價格高是制約氫燃料汽車發展的瓶頸之一。他解釋說，氫燃料電池的催化劑是鉑金屬，價格昂貴。盡管技術進步大大降低了氫燃料電池的使用量，但仍制約著氫燃料電池成本的提高。此外，氫氣的儲存和運輸面臨特殊困難，加氫站作為氫燃料電池汽車的重要基礎設施建設成本高，限制了其推廣。而“分布式發電”一般是指終端用戶（工廠、商業企業、公共建筑、街區、私人家庭）附近的集成或獨立小型發電設備。目前，基于燃料電池的分布式發電已在歐洲、美國、日本和韓國初步商業化。此外，作為應急電源，與鉛酸電池相比，氫燃料電池具有能效高、環境友好、占地面積小、重量輕、運行穩定可靠、使用壽命長等特點，也開始越來越受到應急電源市場的青睞。目前，在通信領域，使用燃料電池作為應急電源并不罕見。例如，中國三大電信運營商已經投入使用燃料電池備用電源。蘭州大學物理學博士儲冰在論文中寫道，高效儲氫是燃料電池廣泛商業應用的條件。然而，包括壓縮、液化和金屬氧化物在內的大多數儲氫方法都難以達到完全取代化石燃料的最低標準。對于氫燃料電池，科學家的另一個儲存想法是通過物理或化學吸附氫來形成固體物質，例如具有金屬原子的金屬氫化物和具有有機分子的化學氫化物。此外，使用富勒烯和石墨烯等大表面材料進行吸附也是一種想法。石墨烯可以實現安全的儲氫。2004年，英國曼徹斯特大學的Andre Geim教授和Konstantin Novoserov博士用膠帶反復剝離高取向熱解石墨，獲得穩定的石墨烯。由于石墨烯優異的電、光和機械財產及其廣闊的應用前景，石墨烯的發現者海姆和諾沃塞羅夫獲得了2010年諾貝爾物理學獎。在成功制備石墨烯后，海姆的團隊進一步研究并證實，石墨烯可以使質子穿透，這意味著空氣中的氫氣可以被制成燃料電池，產生電力和水分，使其成為一種無碳無污染的革命性環保能源。蔣軍介紹，他們的研究靈感來自海姆近年來的工作：石墨烯可以隔離所有氣體和液體，但可以大量釋放質子。利用大自然為質子打開的這扇“便門”，蔣軍等人設計了一種“三明治”結構，將碳和氮材料夾在兩層石墨烯之間。這種夾層結構可以同時吸收紫外線和可見光，利用……產生正負電荷……

持續的太陽能，并用能量快速分離正負電荷，然后分別跑到外層石墨烯和碳氮夾層，充分發揮各自的能力：石墨烯表面的水分子在正電荷的幫助下分解，產生質子。這些質子可以穿透石墨烯并與電子反應產生氫氣。由于只有質子可以穿過石墨烯，而產生的氫不能穿透石墨烯，因此光解水產生的氫分子被安全地保留在夾層復合材料系統中。同時，氧原子、氧、羥基等物質不能進入復合體系，從而抑制氧和氫再次逆向反應進入水中，實現高儲氫率下的安全儲氫。蔣軍介紹，這種復合體系中不僅可以使用石墨烯和碳氮材料，還可以使用富勒烯、碳納米管和光催化劑等其他材料。這使得將太陽能水轉化為氫能成為可能，并進一步有助于氫能的大規模應用。三明治，很多人都嘗過，但我們想在這個科學能見度問題上談論的“三明治”非常神奇。它可以將我們儲存電能的傳統電池變成一個小型發電廠，與傳統電池最大的區別在于它仍然是一種清潔能源。

最近，中國科學技術大學研究團隊的一項研究表明，使用石墨烯作為“容器”，采用“三明治”結構，有望解決高儲氫率下的安全儲氫和低成本的儲氫問題，從而促進氫燃料電池的發展。這項研究的相關論文發表在學術期刊《自然通訊》上。氫能的熱值是汽油的三倍，是公認的清潔能源。早在20世紀70年代，“氫能經濟”的概念就被提出了。簡單地說，它設想以陽光為動力，利用水生產氫氣，并以氫氣為介質（制備、儲存、運輸和轉化）來取代現有的石油經濟系統，從而實現環境保護和再生的目標。關于氫能的優勢，上述論文的通訊員、中國科學技術大學化學與材料科學學院蔣軍教授提到了三點：首先，氫的能量含量高，除核燃料外，氫的熱值在所有燃料中最高，是汽油的三倍。氫的高能量使其成為推動航天器的重要燃料之一。其次，氫氣是一種清潔能源，無，燃燒產物是水，無污染，可以回收利用。第三，氫的來源也非常廣泛。除了利用化石燃料生產氫氣外，無處不在的水也被稱為“氫礦”。目前，氫能的應用主要基于燃料電池。1839年，英國的威爾士科學家威廉·格羅夫首次提出了燃料電池的概念。當燃料和空氣被送入燃料電池時，就產生了電。從外表上看，它有正負電極和電解質，就像一個蓄電池，但本質上，它不是一個“發電廠”，而是一個“電廠”。氫燃料電池與普通電池的主要區別在于：干電池和蓄電池是儲能裝置，儲存電能并在必要時釋放；

嚴格來說，氫燃料電池是一種將化學能直接轉化為電能的發電裝置。氫能的成本和安全性仍然有限。浙江大學化學工程與生物工程系趙永志副教授等專家認為，氫能在燃料電池汽車、分布式發電、應急電源等領域的應用已接近工業化。在氫燃料電池汽車方面，日本的研究“走得很早”，比如豐田甚至有一款實驗性的氫燃料電池車Mirai，并且有少量已經投放市場。在中國，氫燃料電池汽車的發展緊隨其后。在北京奧運會、上海世博會、廣州亞運會和深圳大運會期間，中國啟動了燃料電池汽車示范項目。清華大學汽車工程系的李建秋教授認為，到2020年，國內將有約1萬輛燃料電池汽車進行示范運營，從2025年起，燃料電池汽車的產量將大幅增加，以每年10萬輛的速度增長。然而，成本和安全方面的考慮仍然是不可避免的。例如，同濟大學汽車學院副研究員鄭俊生曾表示，電池價格高是制約氫燃料汽車發展的瓶頸之一。他解釋說，氫燃料電池的催化劑是鉑金屬，價格昂貴。盡管技術進步大大降低了氫燃料電池的使用量，但仍制約著氫燃料電池成本的提高。此外，氫氣的儲存和運輸面臨特殊困難，加氫站作為氫燃料電池汽車的重要基礎設施建設成本高，限制了其推廣。而“分布式發電”一般是指終端用戶（工廠、商業企業、公共建筑、街區、私人家庭）附近的集成或獨立小型發電設備。目前，基于燃料電池的分布式發電已在歐洲、美國、日本和韓國初步商業化。此外，作為應急電源，與鉛酸電池相比，氫燃料電池具有能效高、環境友好、占地面積小、重量輕、運行穩定可靠、使用壽命長等特點，也開始越來越受到應急電源市場的青睞。目前，在通信領域，使用燃料電池作為應急電源并不罕見。例如，中國三大電信運營商已經投入使用燃料電池備用電源。蘭州大學物理學博士儲冰在論文中寫道，高效儲氫是燃料電池廣泛商業應用的條件。然而，包括壓縮、液化和金屬氧化物在內的大多數儲氫方法都難以達到完全取代化石燃料的最低標準。對于氫燃料電池，科學家的另一個儲存想法是通過物理或化學吸附氫來形成固體物質，例如具有金屬原子的金屬氫化物和具有有機分子的化學氫化物。此外，使用富勒烯和石墨烯等大表面材料進行吸附也是一種想法。石墨烯可以實現安全的儲氫。2004年，英國曼徹斯特大學的Andre Geim教授和Konstantin Novoserov博士用膠帶反復剝離高取向熱解石墨，獲得穩定的石墨烯。由于石墨烯優異的電、光和機械財產及其廣闊的應用前景，石墨烯的發現者海姆和諾沃塞羅夫獲得了2010年諾貝爾物理學獎。在成功制備石墨烯后，海姆的團隊進一步研究并證實，石墨烯可以使質子穿透，這意味著空氣中的氫氣可以被制成燃料電池，產生電力和水分，使其成為一種無碳無污染的革命性環保能源。蔣軍介紹，他們的研究靈感來自海姆近年來的工作：石墨烯可以隔離所有氣體和液體，但可以大量釋放質子。利用大自然為質子打開的這扇“便門”，蔣軍等人設計了一種“三明治”結構，將碳和氮材料夾在兩層石墨烯之間。這種夾層結構可以同時吸收紫外線和可見光，利用……產生正負電荷……

持續的太陽能，并用能量快速分離正負電荷，然后分別跑到外層石墨烯和碳氮夾層，充分發揮各自的能力：石墨烯表面的水分子在正電荷的幫助下分解，產生質子。這些質子可以穿透石墨烯并與電子反應產生氫氣。由于只有質子可以穿過石墨烯，而產生的氫不能穿透石墨烯，因此光解水產生的氫分子被安全地保留在夾層復合材料系統中。同時，氧原子、氧、羥基等物質不能進入復合體系，從而抑制氧和氫再次逆向反應進入水中，實現高儲氫率下的安全儲氫。蔣軍介紹，這種復合體系中不僅可以使用石墨烯和碳氮材料，還可以使用富勒烯、碳納米管和光催化劑等其他材料。這使得將太陽能水轉化為氫能成為可能，并進一步有助于氫能的大規模應用。

標簽：北京世紀大運豐田發現

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