近日萊斯大學(xué)的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)“柱撐氮化硼-石墨烯”（graphene separated by nanotube pillars of boron nitride）是一種絕佳的儲(chǔ)氫材料，這一發(fā)現(xiàn)可能為氫動(dòng)力新能源汽車帶來突破。

        該研究的主要作者是萊斯實(shí)驗(yàn)室的材料科學(xué)家魯茲貝赫·沙薩瓦里（Rouzbeh Shahsavari）和法爾扎內(nèi)·沙亞甘法（Farzaneh Shayeganfar），相關(guān)論文刊登在美國化學(xué)學(xué)會(huì)《Langmuir》期刊上。

     氧摻雜柱撐氮化硼-石墨烯的示意圖，硼原子（粉色）和氮原子（藍(lán)色）組成了一個(gè)個(gè)“柱子”，在兩個(gè)石墨烯層之間為氫原子（白色）“撐”出空間，氧原子（紅色）摻雜其中。他們的研究通過計(jì)算機(jī)模擬實(shí)現(xiàn)，第一步需要先制作氮化硼-石墨烯結(jié)構(gòu)：先模擬出堅(jiān)韌又富有彈性的柱撐石墨烯結(jié)構(gòu)，然后將氮化硼納米管和石墨烯無縫結(jié)合形成獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)。

       柱撐氮化硼-石墨烯儲(chǔ)氫的原理并不復(fù)雜，我們都知道在建筑中使用柱子承重可以創(chuàng)造出更多的空間。基于相同的原理，氮化硼-石墨烯中的“柱子”也能為氫原子騰出空間，但難點(diǎn)在于如何進(jìn)一步增加放進(jìn)去的氫原子數(shù)量，并在需要的時(shí)候?qū)⑺鼈冡尫懦鰜恚@也是此項(xiàng)研究的重點(diǎn)。

        根據(jù)沙薩瓦里實(shí)驗(yàn)室最新的分子動(dòng)力學(xué)模擬顯示，若向材料中添加氧或鋰將使它們結(jié)合氫的能力進(jìn)一步提升。

他們的這一計(jì)算研究主要針對四個(gè)變體：分別摻雜氧、鋰的柱撐氮化硼和柱撐氮化硼-石墨烯結(jié)構(gòu)。

結(jié)果顯示，在室溫和環(huán)境壓力下，氧摻雜的氮化硼-石墨烯的儲(chǔ)氫能力是最好的，其能攜帶11.6%重量的氫并有著約60克/升的儲(chǔ)氫容量，在這一點(diǎn)上它打敗了包括多孔氮化硼、金屬氧化物骨架(MO frameworks)和碳納米管在內(nèi)的諸多競爭者。

        此外，在-321華氏度的低溫下，氧摻雜的氮化硼-石墨烯的儲(chǔ)氫重量可以進(jìn)一步提升至14.77%。

那么這個(gè)儲(chǔ)氫能力究竟如何呢？作為對比可以看一下目前美國能源部對經(jīng)濟(jì)型儲(chǔ)氫介質(zhì)規(guī)定的目標(biāo)——在常規(guī)條件下達(dá)到5.5%的氫氣儲(chǔ)存重量和40克/升的儲(chǔ)存容量、即使是終極目標(biāo)也不過7.5%的儲(chǔ)存重量和70克/升的儲(chǔ)存容量。

“氧和氫具有良好的化學(xué)親和力，因此向基底中摻入氧氣使材料能夠更好地結(jié)合氫氣”，沙薩瓦里這樣解釋摻雜提高儲(chǔ)氫能力的原因。除此之外，氮化硼與石墨烯結(jié)合后所體現(xiàn)出的極化性質(zhì)、石墨烯自身的高電子遷移率等特性，也使得材料在實(shí)際應(yīng)用中變得高度可調(diào)。“我們目前正在努力尋找最佳配置，”沙薩瓦里說道，這個(gè)最佳配置應(yīng)是一種材料的表面積和重量、溫度和壓力之間的平衡。“計(jì)算建模是目前來說來唯一實(shí)際的研究辦法，因?yàn)樵谟?jì)算機(jī)上可以很快地測試許多變量試驗(yàn)，而實(shí)際做的話往往要花費(fèi)數(shù)個(gè)月的時(shí)間。”

        目前來看，這種材料能夠輕易實(shí)現(xiàn)能源部規(guī)定的氫燃料罐要可以承受1500次充放循環(huán)的要求，并且研究者認(rèn)為其已經(jīng)足夠穩(wěn)健實(shí)用。