关于材料科学前沿论文

200714060130吴波

能源是人类社会存在与发展的物质基础，在世界一次能源的消费当中，化石燃料约占

87 9／6，水能占7 ，核能占5％，而水能之外的清洁能源所占比例不足1 [1]。氢能是

一种洁净的可再生能源，它的发展可能带来能源结构的重大改变。氢能的利用主要包括氢

的生产、储存和运输、应用3个方面，氢能要作为一种常规能源，它的储存很关键。氢能

工业对储氢的要求总的来说是储氢系统要安全、容量大、成本低、使用方便。储氢材料(hydrogen storage material)一类能可逆地吸收和释放氢气的材料。最早发现的是金属钯，1体积钯能溶解几百体积的氢气，但钯很贵，缺少实用价值。

常用的储氢方及优缺点见表1。

氢能作为未来的新能源己为必然的发展趋势,氢源的储存是氢能利用系统中最为关键的一环,碳基纳米材料因其独特的结构和性能成为储氢材料研究的热点。石墨烯作为一种新近发现的碳纳米材料,具有比表面大,物化性能稳定,制备工艺简单,原料来源广泛等一系列优点,引起了人们对其储氢性能理论和实验研究的兴趣。

本文通过氧化石墨还原法制备石墨烯和石墨烯-纳米铜(银)复合材料,测试它们的电化

学储氢性能。同时对几种基于石墨烯的纳米结构材料的储氢性能进行理论计算,来寻找合适储氢材料。采用氧化石墨还原法制备石墨烯。以鳞片石墨为原料,采用改进Hummers法制备氧化石墨,借助超声分散和化学还原,制备出石墨烯。通过XRD、FT-IR、Raman与XPS对石墨、氧化石墨和石墨烯进行结构表征,确定制备过程中的化学组成和结构变化。通过AFM和SEM直接观察样品形貌,确定是否得到单原子层的石墨烯。通过恒电流充放电实验获得石墨

烯电化学储氢率为0.14wt%。采用氧化石墨和Cu2+(Ag+)同时还原的方法制备了不同负载量的石墨烯-纳米铜(银)复合材料,纳米铜(银)充当层间阻隔物。XRD测试结果证实负载纳米

铜(银)后的石墨烯层间距变大。测试了石墨烯-纳米铜(银)复合材料电化学储氢性能,当铜

负载量为39wt%,其比电容量达到最高值67.95mAh/g,储氢量为0.25%,储氢性能提高,但负

载银的样品储氢性能下降。采用巨正则蒙特卡罗法计算了石墨烯储氢性能。石墨烯常温储

氢性能较差,而在低温77K,100kPa下,质量储氢率可达6wt%以上,体积储氢率达40g/L以上。讨论了石墨烯层间距、缺陷和Li掺杂对储氢性能的影响。计算了几种石墨烯纳米复合结构储氢性能。石墨烯-C60储氢性能比石墨烯差;石墨烯纳米蕾结构储氢性能比石墨烯略好;石

墨烯-CNT结构常温储氢性能较好,体积储氢率大,是一种较理想的储氢结构。

氢是一种热值很高的燃料。燃烧1千克氢可放出62.8千焦的热量，1千克氢可以代替

3千克煤油。氢氧结合的燃烧产物是最干净的物质--水，没有任何污染。未来最有前途的

燃料电池也主要是以氢为能源。目前利用氢能的困难是什么呢？

氢的来源非常丰富，若能从水中制取氢，则可谓取之不尽、用之不竭。氢能的利用，

主要包括两个方面：一是制氢工艺，二是储氢方法。传统储氢方法有两种，一种方法是利

用高压钢瓶（氢气瓶）来储存氢气，但钢瓶储存氢气的容积小，瓶里的氢气即使加压到

150个大气压，所装氢气的质量也不到氢气瓶质量的1％，而且还有爆炸的危险；另一种方法是储存液态氢，将气态氢降温到－253 0C变为液体进行储存，但液体储存箱非常庞大，

需要极好的绝热装置来隔热，才能防止液态氢不会沸腾汽化。

近年来，一种新型简便的储氢方法应运而生，即利用储氢合金（金属氢化物）来储存

氢气。研究证明，某些金属具有很强的捕捉氢的能力，在一定的温度和压力条件下，这些

金属能够大量“吸收”氢气，反应生成金属氢化物，同时放出热量。其后，将这些金属氢

化物加热，它们又会分解，将储存在其中的氢释放出来。这些会“吸收”氢气的金属，称

为储氢合金。储氢合金的储氢能力很强。单位体积储氢的密度，是相同温度、压力条件下

气态氢的1000倍，也即相当于储存了1000个大气压的高压氢气。由于储氢合金都是固体，既不用储存高压氢气所需的大而笨重的钢瓶，又不需存放液态氢那样极低的温度条件，需

要储氢时使合金与氢反应生成金属氢化物并放出热量，需要用氢时通过加热或减压使储存

于其中的氢释放出来，如同蓄电池的充、放电，因此储氢合金不愧是一种极其简便易行的

理想储氢方法。目前研究发展中的储氢合金，主要有钛系储氢合金、锆系储氢合金、铁系

储氢合金及稀土系储氢合金。储氢合金不光有储氢的本领，而且还有将储氢过程中的化学

能转换成机械能或热能的能量转换功能。储氢合金在吸氢时放热，在放氢时吸热，利用这

种放热－吸热循环，可进行热的储存和传输，制造制冷或采暖设备。储氢合金还可以用于

提纯和回收氢气，它可将氢气提纯到很高的纯度。例如，采用储氢合金，可以以很低的成

本获得纯度高于99.9999%的超纯氢。储氢合金的飞速发展，给氢气的利用开辟了一条广阔

的道路。

在工业领域独领风骚一个世纪的内燃机，很快就要面对以氢为能源的燃料电池的挑战。对现有的内燃机做适当的改动后，就能在内燃机中使用氢来代替汽油作燃料。近年来，国

际车坛出现氢能汽车开发热，世界四大汽车公司――美国的福特、德国的戴姆勒－奔驰、

美国的通用和日本的丰田，都在加快研制氢能汽车的步伐。中国已研制成功了一种氢能汽车，它使用储氢材料90千克，可行驶40千米，时速超过50千米。今后，不但汽车会采用燃料电池，飞机、舰艇、宇宙飞船等运载工具也将使用燃料电池，作为其主要或辅助能源。由于目前大量使用的镍镉电池（Ni－Cd）中的镉有毒，使废电池处理复杂，环境受到污染。发展用储氢合金制造的镍氢电池（Ni－MH），是未来储氢材料应用的另一个重要领域。镍

氢电池与镍镉电池相比，具有容量大、安全无毒和使用寿命长等优点。

纳米材料储氢存在的问题：世界范围内所测储氢量相差太大:0.01(wt ) %-67 (wt ) %、如何准确测定、储氢机理如何

氢能离我们还有多远？氢能作为最清洁的可再生能源,近10多年来发达国家高度重视,中国近年来也投入巨资进行相关技术开发研究。

氢能汽车在发达国家已示范运行，中国也正在筹划引进。氢能汽车商业化的障碍是

成本高，高在氢气的储存。液氢和高压气氢不是商业化氢能汽车-安全性和成本。大多数储氢合金自重大，寿命也是个问题；自重低的镁基合金很难常温储放氢，配位氢化物的可

逆储放氢等需进一步开发研究，碳材料吸附储氢受到重视，但基础研究不够，能否实用化还是个问号 ,氢能之路-前途光明，道路曲折!

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