纳米葡萄藤储存氢燃料

赖斯大学（Rice University）的研究人员已经确定，有一种晶格，就是钙装饰的线型碳（carbyne），它很有潜力，储存氢的水平很容易超过美国能源部（DOE）的目标，作为一种“绿色”替代燃料，用于汽车。 从发展上看，纳米储能技术已经加快，近年来，迹象很明显，全世界实验室都提出各种途径，使用碳纳米管和纳米带作为媒介。但是，他们考虑的尺度可能不够小，这是根据一项新的研究所说，这项研究来自理论物理学家鲍里斯•雅克布孙（Boris Yakobson）的实验室，发表于上周的在线期刊《纳米快报》（Nano Letters）。雅克布孙是赖斯大学卡尔•胡塞尔门工程主席（Karl F. Hasselmann Chair in Engineering），也是材料科学、机械工程和化学教授。 碳炔（Carbyne）是一串碳原子链；这就是你会得到的，你能从石墨烯切片上拉下一根线体，从方式上看，就像从毛衣上拉下一条松散的线。“一根单原子碳杆（one-atom rod of carbon）已经是尽可能细了，比碳纳米管更细，”雅克布孙说。 线型碳被认为是一种奇特材料，但最近的实验表明，它可以合成，而且稳定，在室温下，存储基本上是有益的。这是很重要的，雅克布孙说，因为其他纳米尺度的材料，如碳纳米管、石墨烯甚至巴基球（buckyballs），都可以有效地进行氢的存储，只是条件太冷。 正是钙可以做为饵料，使室温存储可适用于线型碳。形成晶格后，线型碳单独而言，理论上可存储大约相当于其重量50%的氢，远高于6.5%的容量目标，这一目标是美国能源部2015年设定的。但是，这种弱键合起作用，只能是在非常低的温度下，雅克布孙说。 加上钙就不是这样。它使晶格在吸收氢时，键能（binding energy）会有利于有效的室温可逆储存。由于钙原子不成串，它们的分布就会沿着碳炔链进行，就像葡萄结在藤蔓上，而且每个钙原子会结合多达6个氢原子；这会赋予这一网络一种潜在的存储容量，大约相当于8%的自身重量。 因为这种单原子链支架明亮通风，就会有更多的空间让氢聚集。 雅克布孙和他的同事提出一些可扩展战略，进行实际的氢储存。有一种类似所谓的金属有机框架（metal organic frames），就是最近雅克布孙的实验室研究的，是一种金刚石状的晶格，可以使5个氢原子吸附在一个钙原子上；碳原子数在每个链上都会决定总体容量。 另一种策略是，他们建议，从石墨烯上拉下钙装饰的原子链，这可作为一种框架，形成阵列。 雅克布孙表示，很难估计什么时候这些或其他一些转变会发生。“但是，我很乐观。从这一理论概念看，根据线型碳合成的实验证据，以及研究过的有机金属框架结构，可能需要两至三年来形成线型碳网络，并要说，需要一到两年来调整钙富集（calcium enrichment），这样获得的材料就具有良好的性能，可吸附氢，”他说。“因此，过三到五年，就可以有一个工业样品，然后扩大规模。也就是说，这需要紧张的工作，也需要一些运气。”