美國多個(gè)實(shí)驗室正在聯(lián)合開(kāi)發(fā)高性能儲氫材料

多個(gè)實(shí)驗室聯(lián)合開(kāi)發(fā)用于儲氫的吸附劑和金屬氫化物。Sandia的研究人員Vitalie Stavila(左)和Mark Allendorf是該實(shí)驗室聯(lián)盟的成員，該聯(lián)盟旨在推進(jìn)未來(lái)的儲氫材料研究。(迪諾·沃爾納斯攝)

氫作為一種無(wú)碳能源可以擴展到多種領(lǐng)域，包括工業(yè)過(guò)程、建筑供暖和交通運輸。

目前，它為越來(lái)越多的零排放車(chē)輛提供動(dòng)力，包括德國的火車(chē)、韓國的公交車(chē)、加州的汽車(chē)以及全球范圍內的叉車(chē)。這些車(chē)輛使用燃料電池將氫氣和氧氣混合，產(chǎn)生電能來(lái)驅動(dòng)發(fā)動(dòng)機。水是它們唯一的排放物。

為了讓氫燃料繼續發(fā)展并改變整個(gè)經(jīng)濟中的各個(gè)行業(yè)，需要新的基礎設施。氫動(dòng)力汽車(chē)儲存氫氣的壓力是大氣壓力的700倍，可以和傳統的燃油汽車(chē)行駛地一樣遠。雖然這項技術(shù)已經(jīng)使氫動(dòng)力汽車(chē)商業(yè)化，但它無(wú)法達到美國能源部制定的具有挑戰性的能量密度的目標。

在美國能源部的能源效率和可再生能源辦公室的燃料電池技術(shù)辦公室的支持下，氫材料先進(jìn)研究聯(lián)盟(HyMARC)，一個(gè)多實(shí)驗室合作組織，正在開(kāi)發(fā)兩種類(lèi)型的儲氫材料，以滿(mǎn)足其目標。在工作的第一階段，該小組確定了戰略，并進(jìn)行了基礎研究，以增加金屬有機框架的存儲容量，提高金屬氫化物的存儲效率。

現在，新擴大的合作研究正在對最有前途的優(yōu)化材料進(jìn)行攻關(guān)，以便在未來(lái)的車(chē)輛上使用，它們可能提供更緊湊的車(chē)載儲氫系統，減少操作壓力和顯著(zhù)的降低成本。

“這些好處可能有助于讓更多的燃料電池汽車(chē)上路，讓駕駛體驗與傳統汽車(chē)接近，”桑迪亞國家實(shí)驗室(Sandia National Laboratories)的研究員、HyMARC聯(lián)盟的聯(lián)合主任馬克·阿倫多夫(Mark Allendorf)說(shuō)。

該聯(lián)盟目前正在探索從乙醇等分子中可逆地提取氫的方法。這些氫分子載體將比氫氣更容易運輸到加油站，提高了燃料運輸的效率，降低了氫動(dòng)力汽車(chē)以及其他應用的成本。來(lái)自HyMARC的先進(jìn)儲氫材料的突破也將支持美國能源部(DOE)的H2@Scale計劃，使大規模的氫生產(chǎn)、儲存、運輸和跨多個(gè)行業(yè)的利用成為可能。

桑迪亞國家實(shí)驗室

聯(lián)合研究不斷推進(jìn)

2015年以來(lái)，桑迪亞、勞倫斯·伯克利和勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗室的研究人員專(zhuān)注于兩種主要類(lèi)型的儲氫材料，以了解它們的形狀、結構和化學(xué)成分如何影響其性能。HyMARC聯(lián)盟新增加了國家可再生能源實(shí)驗室、太平洋西北國家實(shí)驗室、SLAC國家加速器實(shí)驗室和國家標準與技術(shù)研究所的研究人員。

擴大后的小組最近收到了美國能源部能源效率和可再生能源辦公室的第二輪資金，以解決性能問(wèn)題，以保證最有前途的材料達到聯(lián)邦的氫儲存目標。為了做到這一點(diǎn)，研究人員已經(jīng)決定減緩儲氫材料關(guān)鍵節點(diǎn)的研發(fā)速度。然后，他們開(kāi)發(fā)了一些工具來(lái)應對這些挑戰，包括制造材料的可靠方法、預測影響其存儲性能的材料屬性的新計算機模型，以及適應某些材料與水、氧氣的高反應活性的新測量方法。Allendorf說(shuō)：“HyMARC將這些工具應用到其他實(shí)驗室的特定材料上。我們還可以與他們合作，以促進(jìn)他們的研究。”

馴服溫度

HyMARC感興趣的第一類(lèi)材料叫做吸附劑(sorbents)。這些材料有微小的氣孔，就像海綿一樣吸附并保持其表面的氫氣。這些氣孔創(chuàng )造了一個(gè)具有高表面積的材料，因此擁有巨大的存儲空間。一克這種材料的表面積相當于整個(gè)足球場(chǎng)的面積。

這導致了一個(gè)意想不到的實(shí)際效果：多孔材料理論上可以比高壓燃料箱容納更多的氫，Sandia的化學(xué)家Vitalie Stavila說(shuō)。然而，由于氫氣與孔隙壁的相互作用很弱，大部分存儲空間都沒(méi)有被利用。這些材料在低溫下工作效果最好，但是溫度太低會(huì )導致在現實(shí)中難以使用。

性能最好的吸附劑是金屬有機骨架材料，簡(jiǎn)稱(chēng)MOF。在這些材料中，由碳原子制成的剛性連接基連接各個(gè)金屬離子，就像游樂(lè )場(chǎng)的攀登架。為了增加材料中存儲的氫氣量，該團隊建議向形成孔壁的碳連接基中添加硼或氮。

團隊成員還發(fā)現，可以有超過(guò)一個(gè)以上的氫分子附著(zhù)在框架內的金屬離子上。隨著(zhù)存儲容量的增加，這些材料與氫的相互作用更加強烈。實(shí)際上，這意味著(zhù)在更高的溫度下，氣體會(huì )附著(zhù)在孔隙壁上。

納米結構提高了存儲效率

第二類(lèi)有前途的儲氫材料是金屬氫化物，這種材料是Sandia的研究人員幾十年來(lái)一直在研究制造的。在這些材料中，金屬離子與氫形成了化學(xué)鍵。打破這些化學(xué)鍵可以釋放氫氣，以用于燃料電池。

然而，要打破這些材料與氫形成的牢固化學(xué)鍵，需要能量。氫化物顆粒的尺寸從宏觀(guān)顆?？s小到比人類(lèi)頭發(fā)寬度小1萬(wàn)倍的納米團簇，可以使這種材料的反應性大大增強，從而使它能夠在較低的溫度下釋放氫。Stavila和他的同事使用多孔材料，如MOF或多孔碳作為模板來(lái)控制簇的大小并防止它們聚集在一起。

Stavila說(shuō)：“在HyMARC的第一階段，我們了解到制造納米結構的金屬氫化物可以調整與氫形成的鍵的強度，改變氫附著(zhù)和離開(kāi)表面的速度。這意味著(zhù)釋放這種氣體所需的能量更少。”

研究人員正在測試納米級氫化物的特性，如存儲可逆性和可用的存儲容量，這些特性對未來(lái)的應用非常重要。“我們相信納米級金屬氫化物可以成為實(shí)用的儲氫材料，”Stavila說(shuō)。

該小組還使用了一種稱(chēng)為機器學(xué)習的計算機科學(xué)技術(shù)來(lái)快速識別這些存儲材料的物理特性，這些特性與達到團隊目標所需的性能相關(guān)。他們的方法使他們能夠使用計算機來(lái)輔助識別并預測。艾倫多夫說(shuō)：“我們正在產(chǎn)生科學(xué)的洞察力，以創(chuàng )造對這些材料如何表現的新直覺(jué)。”

他說(shuō)：“確定能夠滿(mǎn)足美國能源部所有目標的儲氫材料是向未來(lái)氫經(jīng)濟過(guò)渡的重要一步。”

對于氫動(dòng)力汽車(chē)來(lái)說(shuō)，實(shí)現這些儲存材料的目標意味著(zhù)這些汽車(chē)可以像傳統汽車(chē)一樣擁有令人滿(mǎn)意的行駛里程、加油時(shí)間和燃料成本。

“盡管技術(shù)上的挑戰是巨大的，”Allendorf說(shuō)，“HyMARC團隊被它的角色的重要性和它最近的發(fā)現所激勵，這些發(fā)現為成功的材料指明了道路。”

桑迪亞國家實(shí)驗室是一個(gè)多任務(wù)實(shí)驗室，由桑迪亞有限責任公司的國家技術(shù)和工程解決方案運營(yíng)，該公司是霍尼韋爾國際公司的全資子公司，為美國能源部的國家核安全局服務(wù)。Sandia實(shí)驗室主要負責核威懾、全球安全、國防、能源技術(shù)和經(jīng)濟競爭力的研究和開(kāi)發(fā)，主要設施位于新墨西哥州的阿爾伯克基和加利福尼亞州的利弗莫爾。

(原文來(lái)自：燃料電池工程 中國新能源網(wǎng)綜合)