利用水作為閥門實現氫氣在碳納米管中的有效存

氫氣是世界上*輕的氣體，密度僅為空氣的1/14, 作為一種可再生的新型燃料，其能量密度接近傳統化石燃料的3倍，且燃燒后的*終產物只有水，可實現對環境的零污染排放。因此，氫氣被認為是*理想的清潔能 源，有望代替傳統化石燃料（如石油、煤炭和天然氣等）解決環境污染、溫室效應等問題。然而，氫氣易燃、易爆、易擴散，需要龐大而笨重的高壓鋼瓶來存儲，不 但有很大的**隱患，且氫氣儲存效率極低，極大地限制了氫能在運輸工具中的應用。因此，發展**、低成本、高效率的氫儲存技術迫在眉睫。

 

*近，中物院成都科學技術發展中心、成都綠色能源與綠色制造研發中心劉煥明、黃家偉教授研究團隊與四川大學陳云貴教授、香港中文大學劉志鋒教授開展聯合研 究，在利用碳納米管儲存氫氣方面取得了重要進展。他們用密度僅為鋼鐵1/6的單壁碳納米管代替笨重的鋼瓶存儲氫氣，將5 MPa的氫氣壓縮進入碳納米管的納米空腔內，同時用結冰的水將壓縮氫氣封堵在納米管中，并通過冰在一定溫度下的融化來實現氫氣釋放。相關研究發表在《能源技術》（Energy Technology）上。

 

碳納米管是一種一維的管狀納米材料，質量輕，具有極高的機械強度，理論預測其單原子層厚度的管壁*大可承受40 GPa的氣壓。這種材料過去被用作儲氫材料，主要是依靠其在77 K 的低溫下表面吸附氫氣，這種方式儲存的氫氣量不到2 wt%。但理論計算顯示在將1GPa的氫氣儲存在空腔直徑約0.52 nm的碳納米管內時，納米管氫氣存儲量可高達10 wt%，高于美國能源部2015年儲氫容量目標（9.0 wt%）。因此，碳納米管可以作為一種理想的儲氫納米容器。然而，如何將這些高壓氫氣封堵在開端口的碳管內是十分棘手的問題。科研人員將單壁碳納米管進行 氧化，使其端口處帶上羧基、羥基等極性官能團，當5MPa氫氣充入這些被氧化的碳管的納米空腔后，添加的少量水可以通過與極性官能團氫鍵作用而自組裝到碳 管端口。在低溫下，水結成冰可以作為閥門將壓縮氫氣有效地封堵在碳管中而不會泄露；再次升溫后，冰融化，氫氣可以從碳管中釋放出來。這樣，水可以作為碳納 米管容器的閥門，在升降溫過程中，通過水的結冰和融化而巧妙地控制閥門的開關，從而有效存儲和釋放高壓氫氣。這一發現，給我們帶來了碳納米管儲氫的新認 識，有望開辟一條全新的高效儲氫路徑，在輕質、高儲能密度領域（為汽車、火箭、飛機等提供動力）有著非常巨大的應用前景。