中科大用石墨烯实现“太阳能制氢储氢一体化”助推氢燃料电池发展

三明治，很多人都尝过，但我们想在这个科学能见度问题上谈论的“三明治”非常神奇。它可以将我们储存电能的传统电池变成一个小型发电厂，与传统电池最大的区别在于它仍然是一种清洁能源。

最近，中国科学技术大学研究团队的一项研究表明，使用石墨烯作为“容器”，采用“三明治”结构，有望解决高储氢率下的安全储氢和低成本的储氢问题，从而促进氢燃料电池的发展。这项研究的相关论文发表在学术期刊《自然通讯》上。氢能的热值是汽油的三倍，是公认的清洁能源。早在20世纪70年代，“氢能经济”的概念就被提出了。简单地说，它设想以阳光为动力，利用水生产氢气，并以氢气为介质（制备、储存、运输和转化）来取代现有的石油经济系统，从而实现环境保护和再生的目标。关于氢能的优势，上述论文的通讯员、中国科学技术大学化学与材料科学学院蒋军教授提到了三点：首先，氢的能量含量高，除核燃料外，氢的热值在所有燃料中最高，是汽油的三倍。氢的高能量使其成为推动航天器的重要燃料之一。其次，氢气是一种清洁能源，无，燃烧产物是水，无污染，可以回收利用。第三，氢的来源也非常广泛。除了利用化石燃料生产氢气外，无处不在的水也被称为“氢矿”。目前，氢能的应用主要基于燃料电池。1839年，英国的威尔士科学家威廉·格罗夫首次提出了燃料电池的概念。当燃料和空气被送入燃料电池时，就产生了电。从外表上看，它有正负电极和电解质，就像一个蓄电池，但本质上，它不是一个“发电厂”，而是一个“电厂”。氢燃料电池与普通电池的主要区别在于：干电池和蓄电池是储能装置，储存电能并在必要时释放；

严格来说，氢燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的发电装置。氢能的成本和安全性仍然有限。浙江大学化学工程与生物工程系赵永志副教授等专家认为，氢能在燃料电池汽车、分布式发电、应急电源等领域的应用已接近工业化。在氢燃料电池汽车方面，日本的研究“走得很早”，比如丰田甚至有一款实验性的氢燃料电池车Mirai，并且有少量已经投放市场。在中国，氢燃料电池汽车的发展紧随其后。在北京奥运会、上海世博会、广州亚运会和深圳大运会期间，中国启动了燃料电池汽车示范项目。清华大学汽车工程系的李建秋教授认为，到2020年，国内将有约1万辆燃料电池汽车进行示范运营，从2025年起，燃料电池汽车的产量将大幅增加，以每年10万辆的速度增长。然而，成本和安全方面的考虑仍然是不可避免的。例如，同济大学汽车学院副研究员郑俊生曾表示，电池价格高是制约氢燃料汽车发展的瓶颈之一。他解释说，氢燃料电池的催化剂是铂金属，价格昂贵。尽管技术进步大大降低了氢燃料电池的使用量，但仍制约着氢燃料电池成本的提高。此外，氢气的储存和运输面临特殊困难，加氢站作为氢燃料电池汽车的重要基础设施建设成本高，限制了其推广。而“分布式发电”一般是指终端用户（工厂、商业企业、公共建筑、街区、私人家庭）附近的集成或独立小型发电设备。目前，基于燃料电池的分布式发电已在欧洲、美国、日本和韩国初步商业化。此外，作为应急电源，与铅酸电池相比，氢燃料电池具有能效高、环境友好、占地面积小、重量轻、运行稳定可靠、使用寿命长等特点，也开始越来越受到应急电源市场的青睐。目前，在通信领域，使用燃料电池作为应急电源并不罕见。例如，中国三大电信运营商已经投入使用燃料电池备用电源。兰州大学物理学博士储冰在论文中写道，高效储氢是燃料电池广泛商业应用的条件。然而，包括压缩、液化和金属氧化物在内的大多数储氢方法都难以达到完全取代化石燃料的最低标准。对于氢燃料电池，科学家的另一个储存想法是通过物理或化学吸附氢来形成固体物质，例如具有金属原子的金属氢化物和具有有机分子的化学氢化物。此外，使用富勒烯和石墨烯等大表面材料进行吸附也是一种想法。石墨烯可以实现安全的储氢。2004年，英国曼彻斯特大学的Andre Geim教授和Konstantin Novoserov博士用胶带反复剥离高取向热解石墨，获得稳定的石墨烯。由于石墨烯优异的电、光和机械财产及其广阔的应用前景，石墨烯的发现者海姆和诺沃塞罗夫获得了2010年诺贝尔物理学奖。在成功制备石墨烯后，海姆的团队进一步研究并证实，石墨烯可以使质子穿透，这意味着空气中的氢气可以被制成燃料电池，产生电力和水分，使其成为一种无碳无污染的革命性环保能源。蒋军介绍，他们的研究灵感来自海姆近年来的工作：石墨烯可以隔离所有气体和液体，但可以大量释放质子。利用大自然为质子打开的这扇“便门”，蒋军等人设计了一种“三明治”结构，将碳和氮材料夹在两层石墨烯之间。这种夹层结构可以同时吸收紫外线和可见光，利用……产生正负电荷……

持续的太阳能，并用能量快速分离正负电荷，然后分别跑到外层石墨烯和碳氮夹层，充分发挥各自的能力：石墨烯表面的水分子在正电荷的帮助下分解，产生质子。这些质子可以穿透石墨烯并与电子反应产生氢气。由于只有质子可以穿过石墨烯，而产生的氢不能穿透石墨烯，因此光解水产生的氢分子被安全地保留在夹层复合材料系统中。同时，氧原子、氧、羟基等物质不能进入复合体系，从而抑制氧和氢再次逆向反应进入水中，实现高储氢率下的安全储氢。蒋军介绍，这种复合体系中不仅可以使用石墨烯和碳氮材料，还可以使用富勒烯、碳纳米管和光催化剂等其他材料。这使得将太阳能水转化为氢能成为可能，并进一步有助于氢能的大规模应用。三明治，很多人都尝过，但我们想在这个科学能见度问题上谈论的“三明治”非常神奇。它可以将我们储存电能的传统电池变成一个小型发电厂，与传统电池最大的区别在于它仍然是一种清洁能源。

最近，中国科学技术大学研究团队的一项研究表明，使用石墨烯作为“容器”，采用“三明治”结构，有望解决高储氢率下的安全储氢和低成本的储氢问题，从而促进氢燃料电池的发展。这项研究的相关论文发表在学术期刊《自然通讯》上。氢能的热值是汽油的三倍，是公认的清洁能源。早在20世纪70年代，“氢能经济”的概念就被提出了。简单地说，它设想以阳光为动力，利用水生产氢气，并以氢气为介质（制备、储存、运输和转化）来取代现有的石油经济系统，从而实现环境保护和再生的目标。关于氢能的优势，上述论文的通讯员、中国科学技术大学化学与材料科学学院蒋军教授提到了三点：首先，氢的能量含量高，除核燃料外，氢的热值在所有燃料中最高，是汽油的三倍。氢的高能量使其成为推动航天器的重要燃料之一。其次，氢气是一种清洁能源，无，燃烧产物是水，无污染，可以回收利用。第三，氢的来源也非常广泛。除了利用化石燃料生产氢气外，无处不在的水也被称为“氢矿”。目前，氢能的应用主要基于燃料电池。1839年，英国的威尔士科学家威廉·格罗夫首次提出了燃料电池的概念。当燃料和空气被送入燃料电池时，就产生了电。从外表上看，它有正负电极和电解质，就像一个蓄电池，但本质上，它不是一个“发电厂”，而是一个“电厂”。氢燃料电池与普通电池的主要区别在于：干电池和蓄电池是储能装置，储存电能并在必要时释放；

严格来说，氢燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的发电装置。氢能的成本和安全性仍然有限。浙江大学化学工程与生物工程系赵永志副教授等专家认为，氢能在燃料电池汽车、分布式发电、应急电源等领域的应用已接近工业化。在氢燃料电池汽车方面，日本的研究“走得很早”，比如丰田甚至有一款实验性的氢燃料电池车Mirai，并且有少量已经投放市场。在中国，氢燃料电池汽车的发展紧随其后。在北京奥运会、上海世博会、广州亚运会和深圳大运会期间，中国启动了燃料电池汽车示范项目。清华大学汽车工程系的李建秋教授认为，到2020年，国内将有约1万辆燃料电池汽车进行示范运营，从2025年起，燃料电池汽车的产量将大幅增加，以每年10万辆的速度增长。然而，成本和安全方面的考虑仍然是不可避免的。例如，同济大学汽车学院副研究员郑俊生曾表示，电池价格高是制约氢燃料汽车发展的瓶颈之一。他解释说，氢燃料电池的催化剂是铂金属，价格昂贵。尽管技术进步大大降低了氢燃料电池的使用量，但仍制约着氢燃料电池成本的提高。此外，氢气的储存和运输面临特殊困难，加氢站作为氢燃料电池汽车的重要基础设施建设成本高，限制了其推广。而“分布式发电”一般是指终端用户（工厂、商业企业、公共建筑、街区、私人家庭）附近的集成或独立小型发电设备。目前，基于燃料电池的分布式发电已在欧洲、美国、日本和韩国初步商业化。此外，作为应急电源，与铅酸电池相比，氢燃料电池具有能效高、环境友好、占地面积小、重量轻、运行稳定可靠、使用寿命长等特点，也开始越来越受到应急电源市场的青睐。目前，在通信领域，使用燃料电池作为应急电源并不罕见。例如，中国三大电信运营商已经投入使用燃料电池备用电源。兰州大学物理学博士储冰在论文中写道，高效储氢是燃料电池广泛商业应用的条件。然而，包括压缩、液化和金属氧化物在内的大多数储氢方法都难以达到完全取代化石燃料的最低标准。对于氢燃料电池，科学家的另一个储存想法是通过物理或化学吸附氢来形成固体物质，例如具有金属原子的金属氢化物和具有有机分子的化学氢化物。此外，使用富勒烯和石墨烯等大表面材料进行吸附也是一种想法。石墨烯可以实现安全的储氢。2004年，英国曼彻斯特大学的Andre Geim教授和Konstantin Novoserov博士用胶带反复剥离高取向热解石墨，获得稳定的石墨烯。由于石墨烯优异的电、光和机械财产及其广阔的应用前景，石墨烯的发现者海姆和诺沃塞罗夫获得了2010年诺贝尔物理学奖。在成功制备石墨烯后，海姆的团队进一步研究并证实，石墨烯可以使质子穿透，这意味着空气中的氢气可以被制成燃料电池，产生电力和水分，使其成为一种无碳无污染的革命性环保能源。蒋军介绍，他们的研究灵感来自海姆近年来的工作：石墨烯可以隔离所有气体和液体，但可以大量释放质子。利用大自然为质子打开的这扇“便门”，蒋军等人设计了一种“三明治”结构，将碳和氮材料夹在两层石墨烯之间。这种夹层结构可以同时吸收紫外线和可见光，利用……产生正负电荷……

持续的太阳能，并用能量快速分离正负电荷，然后分别跑到外层石墨烯和碳氮夹层，充分发挥各自的能力：石墨烯表面的水分子在正电荷的帮助下分解，产生质子。这些质子可以穿透石墨烯并与电子反应产生氢气。由于只有质子可以穿过石墨烯，而产生的氢不能穿透石墨烯，因此光解水产生的氢分子被安全地保留在夹层复合材料系统中。同时，氧原子、氧、羟基等物质不能进入复合体系，从而抑制氧和氢再次逆向反应进入水中，实现高储氢率下的安全储氢。蒋军介绍，这种复合体系中不仅可以使用石墨烯和碳氮材料，还可以使用富勒烯、碳纳米管和光催化剂等其他材料。这使得将太阳能水转化为氢能成为可能，并进一步有助于氢能的大规模应用。

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