納米科學：用於儲氫的甜味材料的甜蜜點！
萊斯大學的工程師們已經注意到在“白色石墨烯”納米材料中存儲氫的最佳結構 - 像Lilliputian摩天大樓這樣的設計，其中“氮化硼地板”位於另一個之上，並且由氮化硼柱精確地分開5.2埃。
結果發表在Small雜誌上。
“這項研究的主要，Rouzbeh Shahsavari，助理説：”我們的動機是創造一種能夠吸收並保持大量氫氣的有效材料 - 無論是體積還是重量 - 都可以在需要時快速輕鬆地釋放氫氣。“賴斯土木與環境工程教授。
氫是宇宙中最輕和最豐富的元素，其能量 - 質量比 - 例如每磅原料的可用能量 - 遠遠超過化石燃料。這也是最清潔的發電方式：唯一的副產品是水。BCC Research市場分析師的一份報告發現，到2021年，全球對儲氫 材料和技術的需求可能每年達到54億美元。
氫氣的主要缺點與便攜性，儲存和安全性有關。雖然大容量可以在高壓下儲存在地下鹽丘和專門設計的儲罐中，但小型便攜式儲罐 - 相當於汽車儲氣罐 - 到目前為止還沒有工程師。
經過幾個月對Rice最快的超級計算機的計算，Shahsavari和Rice的研究生Shuo Zhao找到了將氫儲存在氮化硼中的最佳結構。一種形式的材料，六方氮化硼（hBN），由原子厚的硼和氮薄片組成，有時被稱為白色石墨烯，因為原子的間距與石墨烯平板中的碳原子完全相同。
Shahsavari的多尺度材料實驗室之前的工作發現，石墨烯和氮化硼的混合材料可以容納足夠的氫氣，以滿足能源部對輕型燃料電池汽車的儲存目標。
“材料的選擇很重要，”他説。“在氫吸收方面，氮化硼已經顯示出比純石墨烯，碳納米管或石墨烯和氮化硼的混合物更好。
“但是，hBN板和支柱的間距和排列也很關鍵，”他説。“因此，我們決定對hBN的所有可能幾何形狀進行詳盡的搜索，看看哪種方法效果最好。我們還擴展了計算，包括各種温度，壓力和摻雜劑，微量元素可添加到氮化硼中以增強其氫氣存儲容量。”
趙和Shahsavari建立了許多“ab initio”測試，計算機模擬使用了第一個物理原理。Shahsavari説這種方法計算量很大，但值得付出額外的努力，因為它提供了最高精度。
“我們進行了近4,000次ab initio計算，試圖找到材料和幾何結合在一起的最佳點，並真正協同工作以優化儲氫，”他説。
與通過化學鍵合儲存氫的材料不同，Shahsavari説氮化硼是一種通過物理鍵保持氫的吸附劑，物理鍵比化學鍵弱。Shahsavari説，這對於將氫氣從儲存中取出是一個優勢，因為吸附劑材料比它們的化學表親更容易排出。
他説，氮化硼板或管的選擇以及它們在上部結構中的相應間距是最大化容量的關鍵。
他説：“沒有支柱，這些薄片就會自然地位於另一個大約3埃的頂部，並且很少有氫原子可以穿透那個空間。”“當距離增加到6埃或更大時，容量也會下降。在5.2埃時，天花板和地板都有合作的吸引力，氫氣往往會在中間聚集。相反，純粹的BN模型管 - 不是牀單 - 存儲容量較小。“
沙沙瓦里説，該模型表明，純hBN管板結構可以容納8%的氫重量。（重量百分比是一種濃度測量方法，類似於百萬分之一）需要進行物理實驗來驗證容量，但DOE的最終目標是重量的7.5%。Shahsavari的模型表明，如果能在他的結構中儲存更多的氫，就可以在hBN中添加少量的鋰。 最後，Shahsavari説，結構的平板狀地板不規則也可能對工程師有用。 “由於柱子和地板之間連接的性質，皺紋在柱狀氮化硼片中自然形成，”他説。“事實上，這也可能是有利的，因為皺紋可以提供韌性。如果材料處於負載或衝擊下，這種彎曲的形狀可以輕鬆解開而不會斷裂。這可以增加材料的安全性，這是氫氣中的一大問題存儲設備。 “此外，BN的高導熱性和柔韌性可以提供額外的機會來按需控制吸附和釋放動力學，”Shahsavari説。“例如，可以通過施加外部電壓，熱量或電場來控制釋放動力學。”