氮化硼和石墨烯或将成为最好的储氢材料

        近日莱斯大学的一项研究发现“柱撑氮化硼-石墨烯”（graphene separated by nanotube pillars of boron nitride）是一种绝佳的储氢材料，这一发现可能为氢动力新能源汽车带来突破。

        该研究的主要作者是莱斯实验室的材料科学家鲁兹贝赫·沙萨瓦里（Rouzbeh Shahsavari）和法尔扎内·沙亚甘法（Farzaneh Shayeganfar），相关论文刊登在美国化学学会《Langmuir》期刊上。

     氧掺杂柱撑氮化硼-石墨烯的示意图，硼原子（粉色）和氮原子（蓝色）组成了一个个“柱子”，在两个石墨烯层之间为氢原子（白色）“撑”出空间，氧原子（红色）掺杂其中。他们的研究通过计算机模拟实现，第一步需要先制作氮化硼-石墨烯结构：先模拟出坚韧又富有弹性的柱撑石墨烯结构，然后将氮化硼纳米管和石墨烯无缝结合形成独特的三维结构。

       柱撑氮化硼-石墨烯储氢的原理并不复杂，我们都知道在建筑中使用柱子承重可以创造出更多的空间。基于相同的原理，氮化硼-石墨烯中的“柱子”也能为氢原子腾出空间，但难点在于如何进一步增加放进去的氢原子数量，并在需要的时候将它们释放出来，这也是此项研究的重点。

        根据沙萨瓦里实验室最新的分子动力学模拟显示，若向材料中添加氧或锂将使它们结合氢的能力进一步提升。

他们的这一计算研究主要针对四个变体：分别掺杂氧、锂的柱撑氮化硼和柱撑氮化硼-石墨烯结构。

结果显示，在室温和环境压力下，氧掺杂的氮化硼-石墨烯的储氢能力是最好的，其能携带11.6%重量的氢并有着约60克/升的储氢容量，在这一点上它打败了包括多孔氮化硼、金属氧化物骨架(MO frameworks)和碳纳米管在内的诸多竞争者。

        此外，在-321华氏度的低温下，氧掺杂的氮化硼-石墨烯的储氢重量可以进一步提升至14.77%。

那么这个储氢能力究竟如何呢？作为对比可以看一下目前美国能源部对经济型储氢介质规定的目标——在常规条件下达到5.5%的氢气储存重量和40克/升的储存容量、即使是终极目标也不过7.5%的储存重量和70克/升的储存容量。

“氧和氢具有良好的化学亲和力，因此向基底中掺入氧气使材料能够更好地结合氢气”，沙萨瓦里这样解释掺杂提高储氢能力的原因。除此之外，氮化硼与石墨烯结合后所体现出的极化性质、石墨烯自身的高电子迁移率等特性，也使得材料在实际应用中变得高度可调。“我们目前正在努力寻找最佳配置，”沙萨瓦里说道，这个最佳配置应是一种材料的表面积和重量、温度和压力之间的平衡。“计算建模是目前来说来唯一实际的研究办法，因为在计算机上可以很快地测试许多变量试验，而实际做的话往往要花费数个月的时间。”

        目前来看，这种材料能够轻易实现能源部规定的氢燃料罐要可以承受1500次充放循环的要求，并且研究者认为其已经足够稳健实用。