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最近,詹教授的研究小组东平和谭元植教授和詹东平教授来自厦门大学实验证明石墨烯可以达到理论储氢容量与氢原子1:1的比例和7.7%的重量比通过空间有限的电化学系统的设计。
高密度储存、安全运输和可逆释放是氢能应用的关键科学问题，而原子储氢是解决这一问题的重要研究方向。理论计算预测，如果石墨烯的每个碳原子都提供一个氢吸附位点，即氢原子与氢原子之比为1:1时，其储氢率为7.7% wt%。目前常用的方法是利用石墨烯负载的催化剂，在低温、高压和热力学条件下，将催化剂表面的氢解离为氢原子。氢原子溢出到石墨烯上，通过表面扩散和化学吸附的方式储存在石墨烯上。但低温下氢的解离率较低，高温下氢的解离率较高。目前的原子氢存储容量仅为4.5%，能源部的研究目标是到2025年实现5.5wt %的存储容量。
詹东平教授课题组采用化学气相沉积法在铂箔上沉积单层石墨烯。将内置参考电极、对电极和电解质溶液的微管固定在单层石墨烯/铂箔工作电极上，构建空间有限的电化学系统。采用质子而非氢作为氢源，在室温和常压条件下，循环伏安法和电位步进法在石墨烯单分子膜上的吸附氢容量可达7.3%。考虑到单层石墨烯结构缺陷少，实验验证了氢原子比为1:1时石墨烯的理论储氢容量。
石墨烯储氢原理图
机理研究表明，石墨烯的电化学储氢机理涉及“电催化还原-溢流-表面扩散-化学吸附”的表面电化学过程。工作电极上未被单层膜覆盖的铂位点是电催化剂，吸附的氢原子溢出到石墨烯表面，并通过表面扩散和化学吸附储存在单层膜上。石墨烯单分子层是惰性的，不能将质子还原为吸附氢原子，但可以为氢原子提供吸附位置。此外，表面电化学过程是可逆的。阳极极化过程中，存储在单层石墨烯上的吸附氢原子扩散并溢出表面，导致铂位法拉第解吸，释放氢气。
使用电化学方法进行原子氢存储的主要优点是，氢源不一定是氢，而是质子或水。这种储氢方法不需要高压或低温，可以在室温和常压下进行。与储氢合金一样，储氢石墨烯本身是一种储能材料，可作为二次电池、氧气或空气电池和新型燃料电池的负极，在化学电源领域具有广阔的应用前景。由于储存在石墨烯上的氢原子加热后也很容易释放，这一发现对氢能量的储存和应用具有重要意义。
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