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最近,詹教授的研究小組東平和譚元植教授和詹東平教授來自廈門大學(xué)實驗證明石墨烯可以達到理論儲氫容量與氫原子1:1的比例和7.7%的重量比通過空間有限的電化學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計。
高密度儲存、安全運輸和可逆釋放是氫能應(yīng)用的關(guān)鍵科學(xué)問題，而原子儲氫是解決這一問題的重要研究方向。理論計算預(yù)測，如果石墨烯的每個碳原子都提供一個氫吸附位點，即氫原子與氫原子之比為1:1時，其儲氫率為7.7% wt%。目前常用的方法是利用石墨烯負(fù)載的催化劑，在低溫、高壓和熱力學(xué)條件下，將催化劑表面的氫解離為氫原子。氫原子溢出到石墨烯上，通過表面擴散和化學(xué)吸附的方式儲存在石墨烯上。但低溫下氫的解離率較低，高溫下氫的解離率較高。目前的原子氫存儲容量僅為4.5%，能源部的研究目標(biāo)是到2025年實現(xiàn)5.5wt %的存儲容量。
詹東平教授課題組采用化學(xué)氣相沉積法在鉑箔上沉積單層石墨烯。將內(nèi)置參考電極、對電極和電解質(zhì)溶液的微管固定在單層石墨烯/鉑箔工作電極上，構(gòu)建空間有限的電化學(xué)系統(tǒng)。采用質(zhì)子而非氫作為氫源，在室溫和常壓條件下，循環(huán)伏安法和電位步進法在石墨烯單分子膜上的吸附氫容量可達7.3%?？紤]到單層石墨烯結(jié)構(gòu)缺陷少，實驗驗證了氫原子比為1:1時石墨烯的理論儲氫容量。
石墨烯儲氫原理圖
機理研究表明，石墨烯的電化學(xué)儲氫機理涉及“電催化還原-溢流-表面擴散-化學(xué)吸附”的表面電化學(xué)過程。工作電極上未被單層膜覆蓋的鉑位點是電催化劑，吸附的氫原子溢出到石墨烯表面，并通過表面擴散和化學(xué)吸附儲存在單層膜上。石墨烯單分子層是惰性的，不能將質(zhì)子還原為吸附氫原子，但可以為氫原子提供吸附位置。此外，表面電化學(xué)過程是可逆的。陽極極化過程中，存儲在單層石墨烯上的吸附氫原子擴散并溢出表面，導(dǎo)致鉑位法拉第解吸，釋放氫氣。
使用電化學(xué)方法進行原子氫存儲的主要優(yōu)點是，氫源不一定是氫，而是質(zhì)子或水。這種儲氫方法不需要高壓或低溫，可以在室溫和常壓下進行。與儲氫合金一樣，儲氫石墨烯本身是一種儲能材料，可作為二次電池、氧氣或空氣電池和新型燃料電池的負(fù)極，在化學(xué)電源領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。由于儲存在石墨烯上的氫原子加熱后也很容易釋放，這一發(fā)現(xiàn)對氫能量的儲存和應(yīng)用具有重要意義。
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