莱斯大学:新型储氢结构诞生

莱斯大学的两个超级计算机经过几千个小时的计算发现，氢气存储在“白石墨烯”（单原子层的六方氮化硼）中的最优结构，就是搭建由相距约为5.2埃的垂直柱和一维地板组成的摩天大楼般的框架。在这个图中，氢分子（白色）位于石墨烯（灰色）层之间，由氮化硼（粉色和蓝色）的柱子来支撑。 研究人员发现，完全由氮化硼构成的相同结构，其储存可用氢的能力是前所未有的。

莱斯大学的工程师们开始把注意力集中在 “白石墨烯”纳米材料上--- 一种像小人国的摩天大楼的设计，“白石墨烯”的“地板”上竖立着距离精确到5.2埃的氮化硼的柱子。这项研究结果发表在Small期刊上。

这项研究的主要作者，莱斯大学土木和环境工程系的助理教授RouzbehShahsavari说：“我们的目的是创造一种高效的材料，它可以吸收并储存大量（无论是体积还是重量）的氢，都可以在需要的时候快速地释放出氢气。”

氢是宇宙中质量最轻，储量最丰富的元素，例如其比能量及每榜原料的可用能量都远远超过化石燃料。此外它也是最清洁的发电原料：唯一的副产物是水。一个2017年BCC Research市场分析师报告称，到2021年全球对氢储存材料和技术的需求将达到54亿美元。

氢主要有便携性，存储及安全方面的缺陷。虽然大量的氢气可以在高压下存储在地下盐丘和特别设计的容器中，但小型便携式容器——相当于一个汽车油箱大小——至今仍未被工程师们制造出来。

经过莱斯大学最快的超级计算机几个月的计算，研究生赵硕（音）发现在氮化硼中存储氢的最佳结构。这种形式的材料就是六方氮化硼(hBN)，由单原子厚度的氮和硼组成，有时它被称为“白石墨烯”，因为原子的间距和石墨烯的平面上的碳原子是一样的。

在Shahsavari的实验室之前的工作中发现，石墨烯和氮化硼的混合材料可以容纳足够的氢，足以满足能源部对轻型燃料电池汽车的储氢目标。

他说“材料的选择很重要，已经证明氮化硼在氢吸收方面比纯石墨烯，碳纳米管或石墨烯和氮化硼的混合物更好。”

“但是hBN片材和支柱的间距和排列也很关键。”他说道，“所以我们决定对hBN所有可能的几何图形的结果进行详尽的搜索，看看哪个效果最好。我们还将计算扩展到包括各种不同的温度，压力和掺杂物，在氮化硼中加入追踪元素来提高氢储存能力”

赵硕（音）和Shahsavari建立了大量“ab初始”测试，进行了物理学第一性原理的模拟计算。Shahsavari说这种方法在计算上是非常强大的，但需要付出额外的努力，因为它提供了最精确的计算方法。

他说：“我们进行了近4000个“ab从头计算”，试图找到材料和几何形状相互作用的最佳方案，并真正合作以优化储氢能力。”

Shahsavari说，与通过化学键储存氢的材料不同，氮化硼是一种吸附物，通过物理键来维持氢，而物理键比化学键更弱。这在氢存储上是一个优势，因为吸附剂材料相比于他们的化学物质更容易放电。

他说，选择氮化硼的薄片或管道，以及它们在超结构中相应的间距，是能够最大限度地发挥储氢能力的关键。

“如果没有支柱，那么这些薄片就会自然而然地相互隔开约3埃，并且很少有氢原子可以穿透该空间。”他说，“当距离增加到6埃或更多时，容量也会下降。在5.2埃的时候，“天花板”和“地面”都有一个共同的吸引力，而氢往往会在中间聚集。相反，由纯粹的BN——而不是片板制成的模型的存储容量更少。”

Shahsavari接着说道，模型显示，纯的hBN管-板结构可以容纳8个重量的氢气。（重量百分比是一种浓度的测量方法，类似于百万分之一。）需要进行物理实验来验证这一能力，但能源部的最终目标是7.5%。Shahsavari的模型表明，如果将微量的锂加入到hBN中，更多的氢可以储存在这个的结构中。

最后，Shahsavari说，在平整的、类似地板的结构上的不规则结构也可能对工程师有用。

“由于立柱和地板之间的连接的性质，在柱状氮化硼上，皱纹会自然形成，”他说。“事实上，这也可能是有利的，因为皱纹可以提供韧性。如果材料被放置在负载或冲击下，那扣的形状可以轻易解开，而不会断裂。这可能会增加材料的安全性，这是氢储存设备的一个大问题。”

Shahsavari说：“此外，高导热系数和灵活性的氮化硼可能为控制吸附和释放动力学提供了更多的机会。”例如，通过施加外部电压、热量或电场来控制释放动力学是可能的。”