氫是地球和宇宙中最輕，最豐富的元素。因此，對于汽車以及從便攜式發(fā)電機到電信塔等各種其他用途的氫氣作為清潔，無碳，幾乎無限的能源來源，氫氣是唯一的副產(chǎn)品，這應(yīng)該不足為奇。燃燒雖然使氫能源與現(xiàn)有的汽車推進系統(tǒng)和其他能源技術(shù)相比仍然存在科學(xué)挑戰(zhàn)，但美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（伯克利實驗室）的研究人員開發(fā)了一種類似電池的新材料配方。氫燃料電池-圍繞吸氫鎂納米晶體與原子級薄石墨烯片-以推動其在關(guān)鍵領(lǐng)域的性能。

石墨烯保護納米晶體免受氧氣，水分和污染物的影響，而微小的天然孔洞允許較小的氫分子通過。該過濾方法克服了降低用于儲氫的金屬氫化物的性能的常見問題，這些石墨烯包裹的鎂晶體充當氫的“海綿”，提供了一種非常緊湊和安全的方式來吸收和儲存氫氣。納米晶體還允許更快的加油，并減少整體“罐”尺寸，在用于燃料電池汽車應(yīng)用的氫存儲的金屬氫化物基材料中，我們的材料在容量，可逆性，動力學(xué)和穩(wěn)定性方面具有良好的性能，”伯克利實驗室的博士后研究員EunSeonCho說道。最近在NatureCommunications上發(fā)表的有關(guān)新燃料電池配方的研究。

薄片氧化石墨烯（紅色片）具有天然的原子級缺陷，允許氫氣分子通過，同時阻擋較大的分子，如氧氣（O2）和水（H2O）。伯克利實驗室的研究人員封裝了，在使用這些材料的氫燃料電池驅(qū)動的車輛中，被稱為“金屬氫化物”（與金屬結(jié)合的氫）燃料電池，泵入車輛的氫氣將被鎂納米晶粉末化學(xué)吸收并在低壓下安全，伯克利實驗室的科學(xué)家兼合著者JeffUrban說：“這項工作表明了未來實際儲氫和使用的可能性。我相信這些材料代表了一種普遍適用的方法來穩(wěn)定活性材料，同時仍然利用它們的獨特性活動概念，可以廣泛應(yīng)用于電池，催化和高能材料。

這項研究在伯克利實驗室的分子鑄造和先進光源進行，是國家實驗室聯(lián)盟的一部分，該聯(lián)盟被稱為HyMARC（氫材料-高級研究聯(lián)盟），尋求更安全和更具成本效益的儲氫，Urban是伯克利實驗室的首席科學(xué)家為了那個努力，2015年，包括全電動，混合動力車和插電式混合動力汽車在內(nèi)的所有電動汽車的美國市場份額為2.87％，相當于約50萬輛電動汽車，占汽車總銷量的約1740萬輛。以統(tǒng)計由電驅(qū)動運輸協(xié)會，行業(yè)協(xié)會促進電力驅(qū)動汽車的報道，盡管包括豐田，本田和通用汽車在內(nèi)的幾家主要汽車制造商已投資開發(fā)氫燃料電池汽車，但氫燃料電池汽車尚未在汽車銷售方面取得重大進展。事實上，豐田去年在美國發(fā)布了一款名為Mirai的小型生產(chǎn)型號，該型號使用壓縮氫氣罐。

氫燃料電池汽車的潛在優(yōu)勢，除了降低對標準燃料汽車的環(huán)境影響之外，還有氫的高比能，這意味著氫燃料電池可能比其他電池系統(tǒng)和燃料的重量更輕。在產(chǎn)生更多電能的同時獲得能源，衡量每重量氫燃料電池的能量存儲容量，稱為“重量能量密度”，大約是汽油的三倍。Urban指出，如果有效使用這一重要特性，可以擴大氫基運輸?shù)恼嚪秶⒀娱L許多其他應(yīng)用的加油時間，Cho說，需要更多的研發(fā)來實現(xiàn)超過現(xiàn)有電動車電池性能的遠程車輛應(yīng)用的更高容量的氫存儲，其他應(yīng)用可能在短期內(nèi)更適合氫燃料電池，例如靜止電源，叉車和機場車輛，便攜式電源，如筆記本電池充電器，便攜式照明，供水和污水泵以及應(yīng)急服務(wù)設(shè)備。

Cho表示，金屬氫化物儲存的障礙在單位循環(huán)過程中吸收（吸收）和釋放（解吸）氫氣的速度相對較慢。在燃料電池中，涉及氫和氧的單獨化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電子流，其被引導(dǎo)為電流，從而產(chǎn)生水作為副產(chǎn)物，Cho表示，伯克利實驗室生產(chǎn)的石墨烯封裝的納米晶體的尺寸很小，僅約3-4納米，或十億分之一米，是新型燃料電池材料快速捕獲和釋放氫氣的關(guān)鍵。因為它們具有比較大尺寸的相同材料可用于反應(yīng)的更多表面積，她補充說，另一個關(guān)鍵是保護鎂免受暴露在空氣中，這會使燃料電池?zé)o法使用。

在TheMolecularFoundry工作，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種簡單，可擴展且具有成本效益的“單鍋”技術(shù)，可以在同一批次中混合石墨烯片和氧化鎂納米晶體。他們后來在伯克利實驗室的高級光源中使用X射線研究了涂層納米晶體的結(jié)構(gòu)。X射線研究表明，泵入燃料電池混合物的氫氣如何與鎂納米晶體反應(yīng)形成更穩(wěn)定的分子，稱為氫化鎂，同時阻止氧氣到達鎂，它在空氣中穩(wěn)定，這很重要，”Cho說，研究的后續(xù)步驟將集中在使用不同類型的催化劑-這可以提高化學(xué)反應(yīng)的速度和效率-進一步改善燃料電池的電流轉(zhuǎn)換，并研究不同類型的材料是否也可以改善燃料電池的Cho說，整體能力。