三明治,不少人都品嘗過,但今天本期科技能見度要說的“三明治”,卻非常神奇,它可以讓我們傳統(tǒng)儲存電能的
電池變成一個小型發(fā)電廠,而且與傳統(tǒng)
電池區(qū)別最大的是,它還是一種清潔能源。
近日,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研團(tuán)隊的一項(xiàng)研究顯示,利用石墨烯材料做“容器”,采用類似“三明治”的結(jié)構(gòu),有望解決高儲氫率下的安全儲氫以及低成本收集氫氣兩方面問題,從而促成氫氣燃料電池的發(fā)展。該研究的相關(guān)論文發(fā)表在學(xué)術(shù)刊物《自然·通訊》上。
氫能源發(fā)熱值是汽油3倍
氫能,是公認(rèn)的清潔能源。早在20世紀(jì)70年代,“氫能經(jīng)濟(jì)”這一概念就被提出。簡單來說,其設(shè)想了用太陽光驅(qū)動,利用水制造氫氣,并以氫為媒介(制備、儲存、運(yùn)輸和轉(zhuǎn)化)取代現(xiàn)有的石油經(jīng)濟(jì)體系,從而達(dá)到環(huán)?稍偕哪繕(biāo)。
對于氫能的優(yōu)勢,上述論文的通訊作者、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院江俊教授提到三點(diǎn):其一,氫氣含能高,除核燃料外,氫的發(fā)熱值是目前所有燃料中最高的,是汽油的3倍。氫的高能,使氫成為推進(jìn)航天器的重要燃料之一。其二,氫氣是一種清潔能源,本身無毒,燃燒產(chǎn)物是水,無污染,且可以循環(huán)使用。第三,氫的來源也非常廣泛,除了礦物燃料制氫外,無處不在的水也被稱為“氫礦”。
目前,氫能的應(yīng)用主要以燃料電池為核心。燃料電池概念最早由英國威爾士科學(xué)家格羅夫(William Grove)于1839年提出,燃料和空氣分別送進(jìn)燃料電池,電就被生產(chǎn)出來。它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等,像一個蓄電池,但實(shí)質(zhì)上它不能“儲電”而是一個“發(fā)電廠”。
氫燃料電池與普通電池的區(qū)別主要在于:干電池、蓄電池是一種儲能裝置,是把電能貯存起來,需要時再釋放出來;而氫燃料電池嚴(yán)格地說是一種把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。
氫能源成本和安全仍有局限
浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)系趙永志副教授等專家認(rèn)為,氫能源在包括燃料電池汽車、分布式發(fā)電、應(yīng)急電源等領(lǐng)域的應(yīng)用,已接近產(chǎn)業(yè)化。
在氫燃料電池汽車方面,日本的研究“走得很早”,如豐田甚至有實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的氫燃料電池汽車Mirai,并且已經(jīng)少量上市銷售。在國內(nèi),氫燃料電池汽車開發(fā)也緊隨其后,在北京奧運(yùn)會、上海世博會、廣州亞運(yùn)會及深圳大運(yùn)會期間,中國都開展了燃料電池汽車的示范項(xiàng)目。
清華大學(xué)汽車工程系李建秋教授認(rèn)為,預(yù)計到2020年,國內(nèi)燃料電池汽車將有1萬輛左右示范運(yùn)行,從2025年開始,燃料電池汽車產(chǎn)量將會大幅度提高,按照每年10萬輛的速度遞增。
不過,成本和安全上的考慮仍無法回避。如同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院副研究員鄭俊生曾表示,電池價格高企是制約氫燃料汽車發(fā)展的瓶頸之一。他解釋,氫燃料電池的催化劑是鉑金類金屬,其價格高昂,雖然技術(shù)進(jìn)步大幅減少了使用量,但仍然制約了氫燃料電池的成本。此外,由于氫氣的貯藏與運(yùn)輸面臨特殊困難,同時加氫站作為氫燃料電池汽車重要基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本較高,均限制了其推廣。
而“分布式發(fā)電”,一般是指靠近最終用戶處(工廠、商業(yè)企業(yè)、公共建筑、街區(qū)、私人住戶)的集成或者單機(jī)的小型發(fā)電裝置。目前,以燃料電池為主的分布式發(fā)電已在歐美及日韓等地區(qū)開始初步商業(yè)化。
另外,作為應(yīng)急電源,氫燃料電池相較鉛酸蓄電池來說,其具有的能源效率高、環(huán)境友好、占地面積小、質(zhì)量輕、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、壽命長等特點(diǎn),也開始受到應(yīng)急電源市場越來越多的青睞。目前,在通信領(lǐng)域,用燃料電池做應(yīng)急電源已不罕見,如我國三大電信運(yùn)營商也已經(jīng)有燃料電池備用電源投入使用。
蘭州大學(xué)物理學(xué)博士褚士兵在其論文中寫道,高效的氫氣儲存是燃料電池進(jìn)行廣泛商業(yè)應(yīng)用的一個條件。但是現(xiàn)在多數(shù)的氫氣儲存方法,包括壓縮、液化、金屬氧化物,都難以達(dá)到完全取代化石燃料的最低標(biāo)準(zhǔn)。
對于氫燃料電池,科學(xué)家的另一種儲存思路是,把氫氣通過物理或者化學(xué)吸附形成固態(tài)物質(zhì),比如與金屬原子形成金屬氫化物,與有機(jī)分子形成化學(xué)氫化物。此外,利用大表面材料如富勒烯、石墨烯等吸附也是一種思路。
用石墨烯
可實(shí)現(xiàn)安全儲氫
2004年,英國曼徹斯特大學(xué)安德烈·海姆教授和康斯坦丁·諾沃肖羅夫博士等,用膠帶反復(fù)剝離高定向熱解石墨的方法,得到了穩(wěn)定存在的石墨烯。由于石墨烯優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)和機(jī)械性能,以及石墨烯廣泛的應(yīng)用前景,其發(fā)現(xiàn)者海姆和諾沃肖羅夫被授予2010年度諾貝爾物理學(xué)獎。
成功制得石墨烯之后,海姆團(tuán)隊進(jìn)一步研究,證實(shí)石墨烯能讓質(zhì)子穿透,這意味著可將空氣中的氫氣制成燃料電池,產(chǎn)生電力和水分,成為一種無碳、無污染的革命性環(huán)保能源。
江俊介紹,他們的研究正是受到了海姆近年工作的啟發(fā):石墨烯能夠隔絕所有氣體和液體,卻對質(zhì)子能夠“網(wǎng)開一面”,大方放行。利用這一大自然給質(zhì)子開的“方便之門”,江俊等設(shè)計了一種“三明治”結(jié)構(gòu),將碳氮材料夾在兩層石墨烯中。
這種夾心的“三明治”結(jié)構(gòu)可以同時吸收紫外光和可見光,利用源源不斷的太陽光能產(chǎn)生正負(fù)電荷,將帶有能量的正負(fù)電荷迅速分離,并分別跑到外層石墨烯和碳氮夾心層,充分施展出二者各自的能力:石墨烯表面的水分子在正電荷的幫助下分解,產(chǎn)生質(zhì)子。這些質(zhì)子可穿透石墨烯,遇到電子后反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。由于只有質(zhì)子能夠通過石墨烯,而產(chǎn)生的氫氣不能穿透石墨烯,光解水產(chǎn)生的氫氣分子被安全地保留在三明治復(fù)合體系內(nèi)。同時,氧原子、氧氣、羥基等物質(zhì)無法進(jìn)入復(fù)合體系,從而抑制了氧與氫重新變?yōu)樗哪娣磻?yīng)發(fā)生,實(shí)現(xiàn)了高儲氫率下的安全儲氫。
江俊介紹,不僅是石墨烯和碳氮材料,其他如富勒烯、碳納米管等和光催化劑也可用于這一復(fù)合體系中。這為實(shí)現(xiàn)太陽能裂解水轉(zhuǎn)換為氫能創(chuàng)造了可能,并進(jìn)而有助于氫能的大規(guī)模應(yīng)用。
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