近日，廈門大學詹東平教授課題組和譚元植教授課題組合作，透過空間限域電化學體系設計，從實驗上論證了石墨烯儲氫可達到碳氫原子比為1:1、重量比為7.7%的理論容量，相關研究成果以“Electrochemical hydrogen-storage capacity of graphene can achieve a carbon-hydrogen atomic ratio of 1:1”為題發表於《中國科學：化學》(Sci China Chem, DOI: 10.1007/s11426-021-1127-1)。
高密度儲存、安全運輸和可逆釋放是氫能應用的關鍵科學問題，而原子態儲氫是解決該問題的重要攻關方向。理論計算預測，若石墨烯的每個碳原子都能提供一個氫原子吸附位點，即碳氫原子比為1:1時，則其儲氫重量百分比為7.7 wt%。目前通用的方法是採用石墨烯負載催化劑，在低溫、高壓的熱力學條件下，在催化劑表面將氫氣解離為氫原子，氫原子溢流到石墨烯上，透過表面擴散和化學吸附儲存在石墨烯上。然而，低溫時氫氣解離速率低，高溫卻導致氫原子脫附。目前原子態儲氫容量僅達到4.5%，美國能源部的研究目標是在2025年論證5.5 wt%的儲存容量。
詹東平教授課題組採用化學氣相沉積法在鉑箔上沉積單層石墨烯，將內建參比電極、對電極和電解質溶液的微管固定在單層石墨烯/鉑箔工作電極上，構建空間限域的電化學系統；以質子而非氫氣作為氫源，在常溫常壓條件下，透過迴圈伏安法和電勢階躍法測定單層石墨烯上吸附氫原子的儲存容量可高達7.3 wt%。若考慮單層石墨烯存在少量的結構缺陷，該體系從實驗上驗證了石墨烯碳氫原子比為1:1的理論儲氫容量。
石墨烯儲氫的示意圖
機理研究表明，石墨烯的電化學儲氫機理涉及“電催化還原-溢流-表面擴散-化學吸附”的表面電化學過程。工作電極上未被單層石墨烯覆蓋的鉑位點為電催化劑，所產生的吸附氫原子溢流到石墨烯表面，並透過表面擴散和化學吸附儲存在單層石墨烯上。單層石墨烯是惰性的，並不能將質子還原成吸附氫原子，而是為後者提供了吸附位點。而且，這個表面電化學過程是可逆的。在陽極極化時，儲存在單層石墨烯上的吸附氫原子透過表面擴散和反溢流，在鉑位點發生法拉第脫附，釋放出氫氣。
採用電化學方法進行原子態儲氫的最大優點在於氫源不必是氫氣，而是質子或者水。這種儲氫方式無需高壓或低溫的環境要求，在常溫常壓下就可以進行。與儲氫合金一樣，儲氫石墨烯本身就是一種儲能材料，可以作為二次電池、氧氣或空氣電池以及新型燃料電池的負極，在化學電源領域具有廣闊的應用前景。由於石墨烯上儲存的氫原子也可以很容易透過升溫釋放出氫氣，該研究成果對於氫能的儲存和應用具有更為重要的價值。
該工作實驗部分主要由2015級博士生何權烽完成，2016級博士生曾蘭平參與了部分實驗工作，我院譚元植教授和航空航天學院韓聯歡助理教授為本文的共同通訊作者。研究工作得到國家自然科學基金委國家重大科研儀器研製專案“奈米尺度電化學：儀器、原理和方法”（專案編號：21827802）的資助。
來源：廈門大學
論文連結：
https://www.sciengine.com/publisher/scp/journal/SCC/doi/10.1007/s11426-021-1127-1?slug=abstract
