多個(gè)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開(kāi)發(fā)用于儲(chǔ)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(lái)的儲(chǔ)氫材料研究。(迪諾·沃爾納斯攝)
氫作為一種無(wú)碳能源可以擴(kuò)展到多種領(lǐng)域，包括工業(yè)過(guò)程、建筑供暖和交通運(yùn)輸。
目前，它為越來(lái)越多的零排放車(chē)輛提供動(dòng)力，包括德國(guó)的火車(chē)、韓國(guó)的公交車(chē)、加州的汽車(chē)以及全球范圍內(nèi)的叉車(chē)。這些車(chē)輛使用燃料電池將氫氣和氧氣混合，產(chǎn)生電能來(lái)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(chē)儲(chǔ)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(chē)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(chē)商業(yè)化，但它無(wú)法達(dá)到美國(guó)能源部制定的具有挑戰(zhàn)性的能量密度的目標(biāo)。
在美國(guó)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(kāi)發(fā)兩種類(lèi)型的儲(chǔ)氫材料，以滿(mǎn)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(chǔ)容量，提高金屬氫化物的存儲(chǔ)效率。
現(xiàn)在，新擴(kuò)大的合作研究正在對(duì)最有前途的優(yōu)化材料進(jìn)行攻關(guān)，以便在未來(lái)的車(chē)輛上使用，它們可能提供更緊湊的車(chē)載儲(chǔ)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(chē)上路，讓駕駛體驗(yàn)與傳統(tǒng)汽車(chē)接近，”桑迪亞國(guó)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(shuō)。
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(chē)以及其他應(yīng)用的成本。來(lái)自HyMARC的先進(jìn)儲(chǔ)氫材料的突破也將支持美國(guó)能源部(DOE)的H2@Scale計(jì)劃，使大規(guī)模的氫生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和跨多個(gè)行業(yè)的利用成為可能。
桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室
聯(lián)合研究不斷推進(jìn)
2015年以來(lái)，桑迪亞、勞倫斯·伯克利和勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員專(zhuān)注于兩種主要類(lèi)型的儲(chǔ)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(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室、太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室和國(guó)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(guó)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(wèn)題，以保證最有前途的材料達(dá)到聯(lián)邦的氫儲(chǔ)存目標(biāo)。為了做到這一點(diǎn)，研究人員已經(jīng)決定減緩儲(chǔ)氫材料關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的研發(fā)速度。然后，他們開(kāi)發(fā)了一些工具來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，包括制造材料的可靠方法、預(yù)測(cè)影響其存儲(chǔ)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(cè)量方法。Allendorf說(shuō)：“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(lèi)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(chǔ)空間。一克這種材料的表面積相當(dāng)于整個(gè)足球場(chǎng)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(shuō)。然而，由于氫氣與孔隙壁的相互作用很弱，大部分存儲(chǔ)空間都沒(méi)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(jiǎn)稱(chēng)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(lè)場(chǎng)的攀登架。為了增加材料中存儲(chǔ)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(guò)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(chǔ)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(chǔ)效率
第二類(lèi)有前途的儲(chǔ)氫材料是金屬氫化物，這種材料是Sandia的研究人員幾十年來(lái)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?？s小到比人類(lèi)頭發(fā)寬度小1萬(wàn)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(lái)控制簇的大小并防止它們聚集在一起。
Stavila說(shuō)：“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(kāi)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(cè)試納米級(jí)氫化物的特性，如存儲(chǔ)可逆性和可用的存儲(chǔ)容量，這些特性對(duì)未來(lái)的應(yīng)用非常重要。“我們相信納米級(jí)金屬氫化物可以成為實(shí)用的儲(chǔ)氫材料，”Stavila說(shuō)。
該小組還使用了一種稱(chēng)為機(jī)器學(xué)習(xí)的計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)來(lái)快速識(shí)別這些存儲(chǔ)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(lái)輔助識(shí)別并預(yù)測(cè)。艾倫多夫說(shuō)：“我們正在產(chǎn)生科學(xué)的洞察力，以創(chuàng)造對(duì)這些材料如何表現(xiàn)的新直覺(jué)?！?
他說(shuō)：“確定能夠滿(mǎn)足美國(guó)能源部所有目標(biāo)的儲(chǔ)氫材料是向未來(lái)氫經(jīng)濟(jì)過(guò)渡的重要一步?！?
對(duì)于氫動(dòng)力汽車(chē)來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)這些儲(chǔ)存材料的目標(biāo)意味著這些汽車(chē)可以像傳統(tǒng)汽車(chē)一樣擁有令人滿(mǎn)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(shuō)，“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(guó)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(guó)家技術(shù)和工程解決方案運(yùn)營(yíng)，該公司是霍尼韋爾國(guó)際公司的全資子公司，為美國(guó)能源部的國(guó)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(guó)防、能源技術(shù)和經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力的研究和開(kāi)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。
