石墨烯有大本事 解決氫氣分離和安全儲運兩大難題

近日，據《杭州日報》報道，中國科學技術大學的科研團隊研制出了一種二維碳氮材料與石墨烯基材料復合的“三明治結構”，解決了氫氣分離和安全儲運這兩大瓶頸問題。

高導熱超柔性石墨烯膜（右）與柔性石墨烯膜分子結構模型（左）

很早以前科學家們就發現，氫如果能被大規模利用，將非常有利於環保事業的發展。據新華社報道，氫是一種清潔能源，燃燒后生成水，不會產生任何污染物。光解水制氫就是利用氫的一種方法，但近幾十年來，光解水制氫的發展停滯不前，原因是分離和收集氫氣非常困難，氫氣的存儲安全和儲運成本也是需要考慮的問題。

為了解決這些技術難題，我國科研人員一直在做著不懈的努力，近日科研人員們從英國諾貝爾獎獲得者安德烈·海姆和中國科學技術大學吳恆安教授關於石墨烯的研究工作中得到啟發，設計出一種二維碳氮材料與石墨烯基材料復合的“三明治結構”。據人民網一帶一路全媒體平台報道，石墨烯是一種蜂窩狀碳原子平面薄膜，集超強的導電、導熱、強度、柔性於一身，具有多種神奇的理化性質，被稱為新材料之王。

在新材料之王的諸多性質中，科研人員們找到了利用石墨烯儲氫的可能，即石墨烯雖然可以隔絕所有氣體和液體，卻能夠對質子“網開一面”。據《安徽日報》報道，科學家設計出的“三明治結構”將碳氮材料夾在兩層石墨烯中，然后再利用光能產生激子，這些光能產生的激子分離后會形成正負電荷，並分別分布於外層石墨烯和碳氮“夾心”層。

石墨烯表面的水分子在正電荷的幫助下分解，產生質子。這些質子可穿透石墨烯，並在遇到電子后發生反應，進而產生氫氣。由於隻有質子能夠通過石墨烯，而產生的氫氣不能穿透石墨烯，所以光解水產生的氫氣分子會被安全地保留在“三明治結構”內。同時氧原子、氧氣、羥基等物質無法進入復合體系，從而抑制了氧與氫重新變為水的逆反應發生，實現了高儲氫率下的安全儲氫。

有了石墨烯的相助，氫的大規模生產和廣泛應用將在今后成為可能。或許在不遠的未來，清潔環保的氫將在人類現有的能源體系中發揮越來越大的作用。（李平峰）

本文由中科院物理所副研究員羅會仟進行科學性把關，專家主要研究領域為超導、電子、電磁、半導體、自動化、中子散射等。