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石墨烯儲氫,大有可為
更新時間:2021-08-14 瀏覽數:
氫氣被認為21世紀最低碳環保的能源之一。氫能具有清潔無污染、來源廣泛、燃燒性能好、潛在經濟效益高、可由化學能直接轉換為電能等優點,同時能夠儲存能量,具有質量輕、能量密度高、綠色環保、儲存方式與利用形式多樣、可持續發展等特點,是一種重要的二次能源,因而引起了世界各國的能源開發者們的廣泛關注。
氫能系統
氫氣的儲存方法分為兩大類。一類是物理儲氫方法,例如低溫液化儲氫法、玻璃微球儲氫法、高壓壓縮儲氫法若干類。第二類為化學儲氫方法,包括:配位氫化物儲氫法、金屬氫化物儲氫法以及碳基納米材料儲氫法若干類。
石墨烯儲氫原理
石墨烯特殊的結構賦予它質量輕、比表面積巨大、穩定性高等特點,使它成為儲氫材料中的首選材料。石墨烯儲氫原理主要分為以下三種:
一是石墨烯的物理吸附,利用石墨烯優異的比表面積,將氫氣以分子的形式儲存和釋放。該技術不會出現原子態氫,但是主要問題是未經摻雜的純石墨烯和氫分子的結合能過低,導致氫氣的儲存需要在很低的溫度條件下。
二是通過摻雜其他元素制備改性石墨烯,達到理想儲氫效果。目前摻雜元素主要集中在堿金屬、堿土金屬、過渡金屬及類金屬等元素上,改性后的石墨烯能夠充分提高材料的儲氫能力。
三是利用石墨烯將氫能轉化為其他形式的能達到儲氫的目的。例如利用石墨烯優異的電化學性能將氫能快速的轉化為化學能,達到電化學儲氫的目的。
石墨烯儲氫性能的改進方法
由石墨烯儲氫的原理可以知道,單純用石墨烯并不能達到我們想要的儲氫效果,而通過摻雜其他元素制備改性石墨烯,可以達到理想的儲氫效果。
①堿金屬摻雜
通過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合能。摻雜堿金屬的石墨烯與氫分子發生相互作用,誘發氫分子發生極化,其中化學吸附占主導地位,直接導致了較強的氫氣結合能和較高的氫氣儲存能力。

摻雜堿金屬后石墨烯的主要性質
②堿土金屬修飾
堿土金屬(Alkaliearth metals,AEM)與堿金屬在化學性質上很相似,當使用這類金屬元素修飾石墨烯時,可改變石墨烯的電子狀態,使得氫氣分子在石墨烯表面的吸附更容易進行,從而大幅提高儲氫能力。

摻雜堿土金屬后石墨烯的主要性質
③非金屬元素摻雜
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合能較小,極有可能在自身較高內聚能的作用下發生團聚,從而削弱石墨烯的儲氫能力。如果摻雜非金屬元素,則有助于進一步提高修飾原子與石墨烯的結合能。

摻雜硼、氮和硅等非金屬后石墨烯的主要性質
④過渡金屬元素摻雜
研究發現,過渡金屬元素(Transitional materals,TM)與H2之間的Kubas作用增強了摻雜石墨烯對氫氣的吸附能力。原因為該作用使得氫氣的s電子轉移到過渡金屬的空d軌道,而過渡金屬填充的d電子也會轉移到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吸附之間的中間狀態。對于儲氫材料來說,這也是所期望得到的結果。

摻雜過渡族金屬后石墨烯的主要性質
石墨烯儲氫研究方向
盡管在石墨烯儲氫材料領域取得了的巨大的研究進展但還有許多問題值得進一步深入研究,比如:
(1)繼續研究輕金屬配位氫化物儲氫體系,尋找集各種單體儲氫材料優點于一體的復合儲氫體系。
(2)研究如何有效的克服石墨烯與其他納米材料復合所產生的團聚現象。
(3)通過實驗試著將輕金屬配位氫化物與石墨烯進行復合測試其儲氫容量。
參考來源:
羅連偉.儲氫材料的研究分析
傅建龍.新型氫能儲備技術研究進展現狀
朱恩福.石墨烯儲氫性能的研究進展
文章來源:石墨烯網

原標題:《【行業動態】石墨烯儲氫,大有可為》

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