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石墨烯储氢，大有可为

阅读次数：303 更新时间：2021-08-14

氢气被认为21世纪最低碳环保的能源之一。氢能具有清洁无污染、来源广泛、燃烧性能好、潜在经济效益高、可由化学能直接转换为电能等优点，同时能够储存能量，具有质量轻、能量密度高、绿色环保、储存方式与利用形式多样、可持续发展等特点，是一种重要的二次能源，因而引起了世界各国的能源开发者们的广泛关注。

氢能系统

氢气的储存方法分为两大类。一类是物理储氢方法，例如低温液化储氢法、玻璃微球储氢法、高压压缩储氢法若干类。第二类为化学储氢方法，包括：配位氢化物储氢法、金属氢化物储氢法以及碳基纳米材料储氢法若干类。

石墨烯储氢原理

石墨烯特殊的结构赋予它质量轻、比表面积巨大、稳定性高等特点，使它成为储氢材料中的首选材料。石墨烯储氢原理主要分为以下三种：

一是石墨烯的物理吸附，利用石墨烯优异的比表面积，将氢气以分子的形式储存和释放。该技术不会出现原子态氢，但是主要问题是未经掺杂的纯石墨烯和氢分子的结合能过低，导致氢气的储存需要在很低的温度条件下。

二是通过掺杂其他元素制备改性石墨烯，达到理想储氢效果。目前掺杂元素主要集中在碱金属、碱土金属、过渡金属及类金属等元素上，改性后的石墨烯能够充分提高材料的储氢能力。

三是利用石墨烯将氢能转化为其他形式的能达到储氢的目的。例如利用石墨烯优异的电化学性能将氢能快速的转化为化学能，达到电化学储氢的目的。

石墨烯储氢性能的改进方法

由石墨烯储氢的原理可以知道，单纯用石墨烯并不能达到我们想要的储氢效果，而通过掺杂其他元素制备改性石墨烯，可以达到理想的储氢效果。

①碱金属掺杂

通过在石墨烯中掺杂碱金属（Alkalimetals,AM），能够大幅度提高石墨烯与氢分子的结合能。掺杂碱金属的石墨烯与氢分子发生相互作用，诱发氢分子发生极化，其中化学吸附占主导地位，直接导致了较强的氢气结合能和较高的氢气储存能力。

掺杂碱金属后石墨烯的主要性质

②碱土金属修饰

碱土金属（Alkaliearth metals,AEM）与碱金属在化学性质上很相似，当使用这类金属元素修饰石墨烯时，可改变石墨烯的电子状态，使得氢气分子在石墨烯表面的吸附更容易进行，从而大幅提高储氢能力。

掺杂碱土金属后石墨烯的主要性质

③非金属元素掺杂

金属原子修饰的石墨烯虽然可以吸附氢气，但是它与石墨烯的结合能较小，极有可能在自身较高内聚能的作用下发生团聚，从而削弱石墨烯的储氢能力。如果掺杂非金属元素，则有助于进一步提高修饰原子与石墨烯的结合能。

掺杂硼、氮和硅等非金属后石墨烯的主要性质

④过渡金属元素掺杂

研究发现，过渡金属元素（Transitional materals,TM）与Ｈ2之间的Kubas作用增强了掺杂石墨烯对氢气的吸附能力。原因为该作用使得氢气的ｓ电子转移到过渡金属的空ｄ轨道，而过渡金属填充的ｄ电子也会转移到Ｈ2的空轨道，形成反成键，使得被吸附的氢气介于物理吸附与化学吸附之间的中间状态。对于储氢材料来说，这也是所期望得到的结果。