多個實驗室聯(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是該實驗室聯(lián)盟的成員，該聯(lián)盟旨在推進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展到多種領(lǐng)域，包括工業(yè)過程、建筑供暖和交通運輸。
目前，它為越來越多的零排放車輛提供動力，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)動發(fā)動機。水是它們唯一的排放物。
為了讓氫燃料繼續(xù)發(fā)展并改變整個經(jīng)濟中的各個行業(yè)，需要新的基礎設施。氫動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。雖然這項技術(shù)已經(jīng)使氫動力汽車商業(yè)化，但它無法達到美國能源部制定的具有挑戰(zhàn)性的能量密度的目標。
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，氫材料先進研究聯(lián)盟(HyMARC)，一個多實驗室合作組織，正在開發(fā)兩種類型的儲氫材料，以滿足其目標。在工作的第一階段，該小組確定了戰(zhàn)略，并進行了基礎研究，以增加金屬有機框架的存儲容量，提高金屬氫化物的存儲效率。
現(xiàn)在，新擴大的合作研究正在對最有前途的優(yōu)化材料進行攻關(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，讓駕駛體驗與傳統(tǒng)汽車接近，”桑迪亞國家實驗室(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輸?shù)郊佑驼?，提高了燃料運輸?shù)男?，降低了氫動力汽車以及其他應用的成本。來自HyMARC的先進儲氫材料的突破也將支持美國能源部(DOE)的H2@Scale計劃，使大規(guī)模的氫生產(chǎn)、儲存、運輸和跨多個行業(yè)的利用成為可能。
桑迪亞國家實驗室
聯(lián)合研究不斷推進
2015年以來，桑迪亞、勞倫斯·伯克利和勞倫斯·利弗莫爾國家實驗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驗室、太平洋西北國家實驗室、SLAC國家加速器實驗室和國家標準與技術(shù)研究所的研究人員。
擴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到聯(lián)邦的氫儲存目標。為了做到這一點，研究人員已經(jīng)決定減緩儲氫材料關(guān)鍵節(jié)點的研發(fā)速度。然后，他們開發(fā)了一些工具來應對這些挑戰(zhàn)，包括制造材料的可靠方法、預測影響其存儲性能的材料屬性的新計算機模型，以及適應某些材料與水、氧氣的高反應活性的新測量方法。Allendorf說：“HyMARC將這些工具應用到其他實驗室的特定材料上。我們還可以與他們合作，以促進他們的研究?！?
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于整個足球場的面積。
這導致了一個意想不到的實際效果：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，但是溫度太低會導致在現(xiàn)實中難以使用。
性能最好的吸附劑是金屬有機骨架材料，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，該團隊建議向形成孔壁的碳連接基中添加硼或氮。
團隊成員還發(fā)現(xiàn)，可以有超過一個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烈。實際上，這意味著在更高的溫度下，氣體會附著在孔隙壁上。
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鍵。打破這些化學鍵可以釋放氫氣，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1萬倍的納米團簇，可以使這種材料的反應性大大增強，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用非常重要?！拔覀兿嘈偶{米級金屬氫化物可以成為實用的儲氫材料，”Stavila說。
該小組還使用了一種稱為機器學習的計算機科學技術(shù)來快速識別這些存儲材料的物理特性，這些特性與達到團隊目標所需的性能相關(guān)。他們的方法使他們能夠使用計算機來輔助識別并預測。艾倫多夫說：“我們正在產(chǎn)生科學的洞察力，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的儲氫材料是向未來氫經(jīng)濟過渡的重要一步?！?
對于氫動力汽車來說，實現(xiàn)這些儲存材料的目標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、加油時間和燃料成本。
“盡管技術(shù)上的挑戰(zhàn)是巨大的，”Allendorf說，“HyMARC團隊被它的角色的重要性和它最近的發(fā)現(xiàn)所激勵，這些發(fā)現(xiàn)為成功的材料指明了道路。”
桑迪亞國家實驗室是一個多任務實驗室，由桑迪亞有限責任公司的國家技術(shù)和工程解決方案運營，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。Sandia實驗室主要負責核威懾、全球安全、國防、能源技術(shù)和經(jīng)濟競爭力的研究和開發(fā)，主要設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。
