利用水作为阀门实现氢气在碳纳米管中的有效存储

2013-7-10 09:16 来源: 中国新材料网
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  氢气是世界上最轻的气体,密度仅为空气的1/14, 作为一种可再生的新型燃料,其能量密度接近传统化石燃料的3倍,且燃烧后的最终产物只有水,可实现对环境的零污染排放。因此,氢气被认为是最理想的清洁能 源,有望代替传统化石燃料(如石油、煤炭和天然气等)解决环境污染、温室效应等问题。然而,氢气易燃、易爆、易扩散,需要庞大而笨重的高压钢瓶来存储,不 但有很大的安全隐患,且氢气储存效率极低,极大地限制了氢能在运输工具中的应用。因此,发展安全、低成本、高效率的氢储存技术迫在眉睫。

  最近,中物院成都科学技术发展中心、成都绿色能源与绿色制造研发中心刘焕明、黄家伟教授研究团队与四川大学陈云贵教授、香港中文大学刘志锋教授开展联合研 究,在利用碳纳米管储存氢气方面取得了重要进展。他们用密度仅为钢铁1/6的单壁碳纳米管代替笨重的钢瓶存储氢气,将5 MPa的氢气压缩进入碳纳米管的纳米空腔内,同时用结冰的水将压缩氢气封堵在纳米管中,并通过冰在一定温度下的融化来实现氢气释放。相关研究发表在《能源技术》(Energy Technology)上。

  碳纳米管是一种一维的管状纳米材料,质量轻,具有极高的机械强度,理论预测其单原子层厚度的管壁最大可承受40 GPa的气压。这种材料过去被用作储氢材料,主要是依靠其在77 K 的低温下表面吸附氢气,这种方式储存的氢气量不到2 wt%。但理论计算显示在将1GPa的氢气储存在空腔直径约0.52 nm的碳纳米管内时,纳米管氢气存储量可高达10 wt%,高于美国能源部2015年储氢容量目标(9.0 wt%)。因此,碳纳米管可以作为一种理想的储氢纳米容器。然而,如何将这些高压氢气封堵在开端口的碳管内是十分棘手的问题。科研人员将单壁碳纳米管进行 氧化,使其端口处带上羧基、羟基等极性官能团,当5MPa氢气充入这些被氧化的碳管的纳米空腔后,添加的少量水可以通过与极性官能团氢键作用而自组装到碳 管端口。在低温下,水结成冰可以作为阀门将压缩氢气有效地封堵在碳管中而不会泄露;再次升温后,冰融化,氢气可以从碳管中释放出来。这样,水可以作为碳纳 米管容器的阀门,在升降温过程中,通过水的结冰和融化而巧妙地控制阀门的开关,从而有效存储和释放高压氢气。这一发现,给我们带来了碳纳米管储氢的新认 识,有望开辟一条全新的高效储氢路径,在轻质、高储能密度领域(为汽车、火箭、飞机等提供动力)有着非常巨大的应用前景。