多個(gè)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開發(fā)用于儲氫的吸附劑和金屬氫化物。Sandia的研究人員Vitalie Stavila(左)和Mark Allendorf是該實(shí)驗(yàn)室聯(lián)盟的成員，該聯(lián)盟旨在推進(jìn)未來的儲氫材料研究。(迪諾·沃爾納斯攝)
氫作為一種無碳能源可以擴(kuò)展到多種領(lǐng)域，包括工業(yè)過程、建筑供暖和交通運(yùn)輸。
目前，它為越來越多的零排放車輛提供動(dòng)力，包括德國的火車、韓國的公交車、加州的汽車以及全球范圍內(nèi)的叉車。這些車輛使用燃料電池將氫氣和氧氣混合，產(chǎn)生電能來驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。水是它們唯一的排放物。
為了讓氫燃料繼續(xù)發(fā)展并改變整個(gè)經(jīng)濟(jì)中的各個(gè)行業(yè)，需要新的基礎(chǔ)設(shè)施。氫動(dòng)力汽車儲存氫氣的壓力是大氣壓力的700倍，可以和傳統(tǒng)的燃油汽車行駛地一樣遠(yuǎn)。雖然這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)使氫動(dòng)力汽車商業(yè)化，但它無法達(dá)到美國能源部制定的具有挑戰(zhàn)性的能量密度的目標(biāo)。
在美國能源部的能源效率和可再生能源辦公室的燃料電池技術(shù)辦公室的支持下，氫材料先進(jìn)研究聯(lián)盟(HyMARC)，一個(gè)多實(shí)驗(yàn)室合作組織，正在開發(fā)兩種類型的儲氫材料，以滿足其目標(biāo)。在工作的第一階段，該小組確定了戰(zhàn)略，并進(jìn)行了基礎(chǔ)研究，以增加金屬有機(jī)框架的存儲容量，提高金屬氫化物的存儲效率。
現(xiàn)在，新擴(kuò)大的合作研究正在對最有前途的優(yōu)化材料進(jìn)行攻關(guān)，以便在未來的車輛上使用，它們可能提供更緊湊的車載儲氫系統(tǒng)，減少操作壓力和顯著的降低成本。
“這些好處可能有助于讓更多的燃料電池汽車上路，讓駕駛體驗(yàn)與傳統(tǒng)汽車接近，”桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室(Sandia National Laboratories)的研究員、HyMARC聯(lián)盟的聯(lián)合主任馬克·阿倫多夫(Mark Allendorf)說。
該聯(lián)盟目前正在探索從乙醇等分子中可逆地提取氫的方法。這些氫分子載體將比氫氣更容易運(yùn)輸?shù)郊佑驼荆岣吡巳剂线\(yùn)輸?shù)男?，降低了氫?dòng)力汽車以及其他應(yīng)用的成本。來自HyMARC的先進(jìn)儲氫材料的突破也將支持美國能源部(DOE)的H2@Scale計(jì)劃，使大規(guī)模的氫生產(chǎn)、儲存、運(yùn)輸和跨多個(gè)行業(yè)的利用成為可能。
桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室
聯(lián)合研究不斷推進(jìn)
2015年以來，桑迪亞、勞倫斯·伯克利和勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員專注于兩種主要類型的儲氫材料，以了解它們的形狀、結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分如何影響其性能。HyMARC聯(lián)盟新增加了國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室、太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室、SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室和國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所的研究人員。
擴(kuò)大后的小組最近收到了美國能源部能源效率和可再生能源辦公室的第二輪資金，以解決性能問題，以保證最有前途的材料達(dá)到聯(lián)邦的氫儲存目標(biāo)。為了做到這一點(diǎn)，研究人員已經(jīng)決定減緩儲氫材料關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的研發(fā)速度。然后，他們開發(fā)了一些工具來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，包括制造材料的可靠方法、預(yù)測影響其存儲性能的材料屬性的新計(jì)算機(jī)模型，以及適應(yīng)某些材料與水、氧氣的高反應(yīng)活性的新測量方法。Allendorf說：“HyMARC將這些工具應(yīng)用到其他實(shí)驗(yàn)室的特定材料上。我們還可以與他們合作，以促進(jìn)他們的研究?！?
馴服溫度
HyMARC感興趣的第一類材料叫做吸附劑(sorbents)。這些材料有微小的氣孔，就像海綿一樣吸附并保持其表面的氫氣。這些氣孔創(chuàng)造了一個(gè)具有高表面積的材料，因此擁有巨大的存儲空間。一克這種材料的表面積相當(dāng)于整個(gè)足球場的面積。
這導(dǎo)致了一個(gè)意想不到的實(shí)際效果：多孔材料理論上可以比高壓燃料箱容納更多的氫，Sandia的化學(xué)家Vitalie Stavila說。然而，由于氫氣與孔隙壁的相互作用很弱，大部分存儲空間都沒有被利用。這些材料在低溫下工作效果最好，但是溫度太低會(huì)導(dǎo)致在現(xiàn)實(shí)中難以使用。
性能最好的吸附劑是金屬有機(jī)骨架材料，簡稱MOF。在這些材料中，由碳原子制成的剛性連接基連接各個(gè)金屬離子，就像游樂場的攀登架。為了增加材料中存儲的氫氣量，該團(tuán)隊(duì)建議向形成孔壁的碳連接基中添加硼或氮。
團(tuán)隊(duì)成員還發(fā)現(xiàn)，可以有超過一個(gè)以上的氫分子附著在框架內(nèi)的金屬離子上。隨著存儲容量的增加，這些材料與氫的相互作用更加強(qiáng)烈。實(shí)際上，這意味著在更高的溫度下，氣體會(huì)附著在孔隙壁上。
納米結(jié)構(gòu)提高了存儲效率
第二類有前途的儲氫材料是金屬氫化物，這種材料是Sandia的研究人員幾十年來一直在研究制造的。在這些材料中，金屬離子與氫形成了化學(xué)鍵。打破這些化學(xué)鍵可以釋放氫氣，以用于燃料電池。
然而，要打破這些材料與氫形成的牢固化學(xué)鍵，需要能量。氫化物顆粒的尺寸從宏觀顆粒縮小到比人類頭發(fā)寬度小1萬倍的納米團(tuán)簇，可以使這種材料的反應(yīng)性大大增強(qiáng)，從而使它能夠在較低的溫度下釋放氫。Stavila和他的同事使用多孔材料，如MOF或多孔碳作為模板來控制簇的大小并防止它們聚集在一起。
Stavila說：“在HyMARC的第一階段，我們了解到制造納米結(jié)構(gòu)的金屬氫化物可以調(diào)整與氫形成的鍵的強(qiáng)度，改變氫附著和離開表面的速度。這意味著釋放這種氣體所需的能量更少?！?
研究人員正在測試納米級氫化物的特性，如存儲可逆性和可用的存儲容量，這些特性對未來的應(yīng)用非常重要?！拔覀兿嘈偶{米級金屬氫化物可以成為實(shí)用的儲氫材料，”Stavila說。
該小組還使用了一種稱為機(jī)器學(xué)習(xí)的計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)來快速識別這些存儲材料的物理特性，這些特性與達(dá)到團(tuán)隊(duì)目標(biāo)所需的性能相關(guān)。他們的方法使他們能夠使用計(jì)算機(jī)來輔助識別并預(yù)測。艾倫多夫說：“我們正在產(chǎn)生科學(xué)的洞察力，以創(chuàng)造對這些材料如何表現(xiàn)的新直覺?！?
他說：“確定能夠滿足美國能源部所有目標(biāo)的儲氫材料是向未來氫經(jīng)濟(jì)過渡的重要一步?！?
對于氫動(dòng)力汽車來說，實(shí)現(xiàn)這些儲存材料的目標(biāo)意味著這些汽車可以像傳統(tǒng)汽車一樣擁有令人滿意的行駛里程、加油時(shí)間和燃料成本。
“盡管技術(shù)上的挑戰(zhàn)是巨大的，”Allendorf說，“HyMARC團(tuán)隊(duì)被它的角色的重要性和它最近的發(fā)現(xiàn)所激勵(lì)，這些發(fā)現(xiàn)為成功的材料指明了道路?！?
桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)多任務(wù)實(shí)驗(yàn)室，由桑迪亞有限責(zé)任公司的國家技術(shù)和工程解決方案運(yùn)營，該公司是霍尼韋爾國際公司的全資子公司，為美國能源部的國家核安全局服務(wù)。Sandia實(shí)驗(yàn)室主要負(fù)責(zé)核威懾、全球安全、國防、能源技術(shù)和經(jīng)濟(jì)競爭力的研究和開發(fā)，主要設(shè)施位于新墨西哥州的阿爾伯克基和加利福尼亞州的利弗莫爾。
