萊斯大學:新型儲氫結構誕生

萊斯大學的兩個超級計算機經過幾千個小時的計算發現，氫氣存儲在“白石墨烯”（單原子層的六方氮化硼）中的最優結構，就是搭建由相距約為5.2埃的垂直柱和一維地板組成的摩天大樓般的框架。在這個圖中
，氫分子（白色）位於石墨烯（灰色）層之間，由氮化硼（粉色和藍色）的柱子來支撐。 研究人員發現，完全由氮化硼構成的相同結構，其儲存可用氫的能力是前所未有的。

萊斯大學的工程師們開始把注意力集中在 “白石墨烯”納米材料上--- 一種像小人國的摩天大樓的設計，“白石墨烯”的“地板”上豎立著距離精確到5.2埃的氮化硼的柱子。這項研究結果發表在Small期刊上。

這項研究的主要作者，萊斯大學土木和環境工程係的助理教授RouzbehShahsavari說：“我們的目的是創造一種高效的材料，它可以吸收並儲存大量（無論是體積還是重量）的氫，都可以在需要的時候快速地釋放出氫氣。”

氫是宇宙中質量最輕
，儲量最豐富的元素，例如其比能量及每榜原料的可用能量都遠遠超過化石燃料。此外它也是最清潔的發電原料：唯一的副產物是水。一個2017年BCC Research市場分析師報告稱，到2021年全球對氫儲存材料和技術的需求將達到54億美元。

氫主要有便攜性

，存儲及安全方麵的缺陷。雖然大量的氫氣可以在高壓下存儲在地下鹽丘和特別設計的容器中
，但小型便攜式容器——相當於一個汽車油箱大小——至今仍未被工程師們製造出來。

經過萊斯大學最快的超級計算機幾個月的計算
，研究生趙碩（音）發現在氮化硼中存儲氫的最佳結構。這種形式的材料就是六方氮化硼(hBN)，由單原子厚度的氮和硼組成
，有時它被稱為“白石墨烯”
，因為原子的間距和石墨烯的平麵上的碳原子是一樣的。

在Shahsavari的實驗室之前的工作中發現，石墨烯和氮化硼的混合材料可以容納足夠的氫，足以滿足能源部對輕型燃料電池汽車的儲氫目標。

他說“材料的選擇很重要，已經證明氮化硼在氫吸收方麵比純石墨烯，碳納米管或石墨烯和氮化硼的混合物更好。”

“但是hBN片材和支柱的間距和排列也很關鍵。”他說道
，“所以我們決定對hBNsuoyoukenengdejihetuxingdejieguojinxingxiangjindesousuo，kankannagexiaoguozuihao。womenhaijiangjisuankuozhandaobaokuogezhongbutongdewendu

，yalihechanzawu，zaidanhuapengzhongjiaruzhuizongyuansulaitigaoqingchucunnengli”

趙碩（音）和Shahsavari建立了大量“ab初始”測試，進行了物理學第一性原理的模擬計算。Shahsavari說這種方法在計算上是非常強大的，但需要付出額外的努力，因為它提供了最精確的計算方法。

他說：“我們進行了近4000個“ab從頭計算”
，試圖找到材料和幾何形狀相互作用的最佳方案，並真正合作以優化儲氫能力。”

Shahsavari說shuo
，與yu通tong過guo化hua學xue鍵jian儲chu存cun氫qing的de材cai料liao不bu同tong

，氮dan化hua硼peng是shi一yi種zhong吸xi附fu物wu
，通tong過guo物wu理li鍵jian來lai維wei持chi氫qing
，而er物wu理li鍵jian比bi化hua學xue鍵jian更geng弱ruo。這zhe在zai氫qing存cun儲chu上shang是shi一yi個ge優you勢shi，因yin為wei吸xi附fu劑ji材cai料liao相xiang比bi於yu他ta們men的de化hua學xue物wu質zhi更geng容rong易yi放fang電dian。

他說，選擇氮化硼的薄片或管道，以及它們在超結構中相應的間距，是能夠最大限度地發揮儲氫能力的關鍵。

“如果沒有支柱，那麼這些薄片就會自然而然地相互隔開約3埃
，並且很少有氫原子可以穿透該空間。”他說，“當距離增加到6埃或更多時，容量也會下降。在5.2埃的時候，“天花板”和“地麵”都有一個共同的吸引力

，而氫往往會在中間聚集。相反，由純粹的BN——而不是片板製成的模型的存儲容量更少。”

Shahsavari接著說道

，模型顯示
，純的hBN管-板結構可以容納8個重量的氫氣。（重量百分比是一種濃度的測量方法，類似於百萬分之一。）需要進行物理實驗來驗證這一能力，但能源部的最終目標是7.5%。Shahsavari的模型表明
，如果將微量的鋰加入到hBN中，更多的氫可以儲存在這個的結構中。

最後，Shahsavari說，在平整的、類似地板的結構上的不規則結構也可能對工程師有用。

“由於立柱和地板之間的連接的性質，在柱狀氮化硼上，皺紋會自然形成，”他說。“shishishang，zheyekenengshiyoulide，yinweizhouwenkeyitigongrenxing。ruguocailiaobeifangzhizaifuzaihuochongjixia，nakoudexingzhuangkeyiqingyijiekai
，erbuhuiduanlie。zhekenenghuizengjiacailiaodeanquanxing
，zheshiqingchucunshebeideyigedawenti。”

Shahsavari說：“此外，高導熱係數和靈活性的氮化硼可能為控製吸附和釋放動力學提供了更多的機會。”例如
，通過施加外部電壓、熱量或電場來控製釋放動力學是可能的。”