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利用水作為閥門實現氫氣在碳納米管中的有效存

氫氣是世界上*輕的氣體,密度僅為空氣的1/14, 作為一種可再生的新型燃料,其能量密度接近傳統化石燃料的3倍,且燃燒后的*終產物只有水,可實現對環境的零污染排放。因此,氫氣被認為是*理想的清潔能 源,有望代替傳統化石燃料(如石油、煤炭和天然氣等)解決環境污染、溫室效應等問題。然而,氫氣易燃、易爆、易擴散,需要龐大而笨重的高壓鋼瓶來存儲,不 但有很大的**隱患,且氫氣儲存效率極低,極大地限制了氫能在運輸工具中的應用。因此,發展**、低成本、高效率的氫儲存技術迫在眉睫。
 
*近,中物院成都科學技術發展中心、成都綠色能源與綠色制造研發中心劉煥明、黃家偉教授研究團隊與四川大學陳云貴教授、香港中文大學劉志鋒教授開展聯合研 究,在利用碳納米管儲存氫氣方面取得了重要進展。他們用密度僅為鋼鐵1/6的單壁碳納米管代替笨重的鋼瓶存儲氫氣,將5 MPa的氫氣壓縮進入碳納米管的納米空腔內,同時用結冰的水將壓縮氫氣封堵在納米管中,并通過冰在一定溫度下的融化來實現氫氣釋放。相關研究發表在《能源技術》(Energy Technology)上。
 
碳納米管是一種一維的管狀納米材料,質量輕,具有極高的機械強度,理論預測其單原子層厚度的管壁*大可承受40 GPa的氣壓。這種材料過去被用作儲氫材料,主要是依靠其在77 K 的低溫下表面吸附氫氣,這種方式儲存的氫氣量不到2 wt%。但理論計算顯示在將1GPa的氫氣儲存在空腔直徑約0.52 nm的碳納米管內時,納米管氫氣存儲量可高達10 wt%,高于美國能源部2015年儲氫容量目標(9.0 wt%)。因此,碳納米管可以作為一種理想的儲氫納米容器。然而,如何將這些高壓氫氣封堵在開端口的碳管內是十分棘手的問題。科研人員將單壁碳納米管進行 氧化,使其端口處帶上羧基、羥基等極性官能團,當5MPa氫氣充入這些被氧化的碳管的納米空腔后,添加的少量水可以通過與極性官能團氫鍵作用而自組裝到碳 管端口。在低溫下,水結成冰可以作為閥門將壓縮氫氣有效地封堵在碳管中而不會泄露;再次升溫后,冰融化,氫氣可以從碳管中釋放出來。這樣,水可以作為碳納 米管容器的閥門,在升降溫過程中,通過水的結冰和融化而巧妙地控制閥門的開關,從而有效存儲和釋放高壓氫氣。這一發現,給我們帶來了碳納米管儲氫的新認 識,有望開辟一條全新的高效儲氫路徑,在輕質、高儲能密度領域(為汽車、火箭、飛機等提供動力)有著非常巨大的應用前景。 
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