由石墨烯包裹的纳米晶体提供动力的新燃料电池设计

氢是地球和宇宙中最轻，最丰富的元素。因此，对于汽车以及从便携式发电机到电信塔等各种其他用途的氢气作为清洁，无碳，几乎无限的能源来源，氢气是唯一的副产品，这应该不足为奇。燃烧虽然使氢能源与现有的汽车推进系统和其他能源技术相比仍然存在科学挑战，但美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）的研究人员开发了一种类似电池的新材料配方。氢燃料电池-围绕吸氢镁纳米晶体与原子级薄石墨烯片-以推动其在关键领域的性能。

石墨烯保护纳米晶体免受氧气，水分和污染物的影响，而微小的天然孔洞允许较小的氢分子通过。该过滤方法克服了降低用于储氢的金属氢化物的性能的常见问题，这些石墨烯包裹的镁晶体充当氢的“海绵”，提供了一种非常紧凑和安全的方式来吸收和储存氢气。纳米晶体还允许更快的加油，并减少整体“罐”尺寸，在用于燃料电池汽车应用的氢存储的金属氢化物基材料中，我们的材料在容量，可逆性，动力学和稳定性方面具有良好的性能，”伯克利实验室的博士后研究员EunSeonCho说道。最近在NatureCommunications上发表的有关新燃料电池配方的研究。

薄片氧化石墨烯（红色片）具有天然的原子级缺陷，允许氢气分子通过，同时阻挡较大的分子，如氧气（O2）和水（H2O）。伯克利实验室的研究人员封装了，在使用这些材料的氢燃料电池驱动的车辆中，被称为“金属氢化物”（与金属结合的氢）燃料电池，泵入车辆的氢气将被镁纳米晶粉末化学吸收并在低压下安全，伯克利实验室的科学家兼合着者JeffUrban说：“这项工作表明了未来实际储氢和使用的可能性。我相信这些材料代表了一种普遍适用的方法来稳定活性材料，同时仍然利用它们的独特性活动概念，可以广泛应用于电池，催化和高能材料。

这项研究在伯克利实验室的分子铸造和先进光源进行，是国家实验室联盟的一部分，该联盟被称为HyMARC（氢材料-高级研究联盟），寻求更安全和更具成本效益的储氢，Urban是伯克利实验室的首席科学家为了那个努力，2015年，包括全电动，混合动力车和插电式混合动力汽车在内的所有电动汽车的美国市场份额为2.87％，相当于约50万辆电动汽车，占汽车总销量的约1740万辆。以统计由电驱动运输协会，行业协会促进电力驱动汽车的报道，尽管包括丰田，本田和通用汽车在内的几家主要汽车制造商已投资开发氢燃料电池汽车，但氢燃料电池汽车尚未在汽车销售方面取得重大进展。事实上，丰田去年在美国发布了一款名为Mirai的小型生产型号，该型号使用压缩氢气罐。

氢燃料电池汽车的潜在优势，除了降低对标准燃料汽车的环境影响之外，还有氢的高比能，这意味着氢燃料电池可能比其他电池系统和燃料的重量更轻。在产生更多电能的同时获得能源，衡量每重量氢燃料电池的能量存储容量，称为“重量能量密度”，大约是汽油的三倍。Urban指出，如果有效使用这一重要特性，可以扩大氢基运输的整车范围，并延长许多其他应用的加油时间，Cho说，需要更多的研发来实现超过现有电动车电池性能的远程车辆应用的更高容量的氢存储，其他应用可能在短期内更适合氢燃料电池，例如静止电源，叉车和机场车辆，便携式电源，如笔记本电池充电器，便携式照明，供水和污水泵以及应急服务设备。

Cho表示，金属氢化物储存的障碍在单位循环过程中吸收（吸收）和释放（解吸）氢气的速度相对较慢。在燃料电池中，涉及氢和氧的单独化学反应产生电子流，其被引导为电流，从而产生水作为副产物，Cho表示，伯克利实验室生产的石墨烯封装的纳米晶体的尺寸很小，仅约3-4纳米，或十亿分之一米，是新型燃料电池材料快速捕获和释放氢气的关键。因为它们具有比较大尺寸的相同材料可用于反应的更多表面积，她补充说，另一个关键是保护镁免受暴露在空气中，这会使燃料电池无法使用。

在TheMolecularFoundry工作，研究人员发现了一种简单，可扩展且具有成本效益的“单锅”技术，可以在同一批次中混合石墨烯片和氧化镁纳米晶体。他们后来在伯克利实验室的高级光源中使用X射线研究了涂层纳米晶体的结构。X射线研究表明，泵入燃料电池混合物的氢气如何与镁纳米晶体反应形成更稳定的分子，称为氢化镁，同时阻止氧气到达镁，它在空气中稳定，这很重要，”Cho说，研究的后续步骤将集中在使用不同类型的催化剂-这可以提高化学反应的速度和效率-进一步改善燃料电池的电流转换，并研究不同类型的材料是否也可以改善燃料电池的Cho说，整体能力。