氫是地球和宇宙中最輕，最豐富的元素。因此，對于汽車以及從便攜式發(fā)電機到電信塔等各種其他用途的氫氣作為清潔，無碳，幾乎無限的能源來源，氫氣是唯一的副產(chǎn)品，這應該不足為奇。燃燒雖然使氫能源與現(xiàn)有的汽車推進系統(tǒng)和其他能源技術相比仍然存在科學挑戰(zhàn)，但美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（伯克利實驗室）的研究人員開發(fā)了一種類似電池的新材料配方。氫燃料電池-圍繞吸氫鎂納米晶體與原子級薄石墨烯片-以推動其在關鍵領域的性能。

石墨烯保護納米晶體免受氧氣，水分和污染物的影響，而微小的天然孔洞允許較小的氫分子通過。該過濾方法克服了降低用于儲氫的金屬氫化物的性能的常見問題，這些石墨烯包裹的鎂晶體充當氫的“海綿”，提供了一種非常緊湊和安全的方式來吸收和儲存氫氣。納米晶體還允許更快的加油，并減少整體“罐”尺寸，在用于燃料電池汽車應用的氫存儲的金屬氫化物基材料中，我們的材料在容量，可逆性，動力學和穩(wěn)定性方面具有良好的性能，”伯克利實驗室的博士后研究員EunSeonCho說道。最近在NatureCommunications上發(fā)表的有關新燃料電池配方的研究。

薄片氧化石墨烯（紅色片）具有天然的原子級缺陷，允許氫氣分子通過，同時阻擋較大的分子，如氧氣（O2）和水（H2O）。伯克利實驗室的研究人員封裝了，在使用這些材料的氫燃料電池驅動的車輛中，被稱為“金屬氫化物”（與金屬結合的氫）燃料電池，泵入車輛的氫氣將被鎂納米晶粉末化學吸收并在低壓下安全，伯克利實驗室的科學家兼合著者JeffUrban說：“這項工作表明了未來實際儲氫和使用的可能性。我相信這些材料代表了一種普遍適用的方法來穩(wěn)定活性材料，同時仍然利用它們的獨特性活動概念，可以廣泛應用于電池，催化和高能材料。

這項研究在伯克利實驗室的分子鑄造和先進光源進行，是國家實驗室聯(lián)盟的一部分，該聯(lián)盟被稱為HyMARC（氫材料-高級研究聯(lián)盟），尋求更安全和更具成本效益的儲氫，Urban是伯克利實驗室的首席科學家為了那個努力，2015年，包括全電動，混合動力車和插電式混合動力汽車在內的所有電動汽車的美國市場份額為2.87％，相當于約50萬輛電動汽車，占汽車總銷量的約1740萬輛。以統(tǒng)計由電驅動運輸協(xié)會，行業(yè)協(xié)會促進電力驅動汽車的報道，盡管包括豐田，本田和通用汽車在內的幾家主要汽車制造商已投資開發(fā)氫燃料電池汽車，但氫燃料電池汽車尚未在汽車銷售方面取得重大進展。事實上，豐田去年在美國發(fā)布了一款名為Mirai的小型生產(chǎn)型號，該型號使用壓縮氫氣罐。

氫燃料電池汽車的潛在優(yōu)勢，除了降低對標準燃料汽車的環(huán)境影響之外，還有氫的高比能，這意味著氫燃料電池可能比其他電池系統(tǒng)和燃料的重量更輕。在產(chǎn)生更多電能的同時獲得能源，衡量每重量氫燃料電池的能量存儲容量，稱為“重量能量密度”，大約是汽油的三倍。Urban指出，如果有效使用這一重要特性，可以擴大氫基運輸?shù)恼嚪秶⒀娱L許多其他應用的加油時間，Cho說，需要更多的研發(fā)來實現(xiàn)超過現(xiàn)有電動車電池性能的遠程車輛應用的更高容量的氫存儲，其他應用可能在短期內更適合氫燃料電池，例如靜止電源，叉車和機場車輛，便攜式電源，如筆記本電池充電器，便攜式照明，供水和污水泵以及應急服務設備。

Cho表示，金屬氫化物儲存的障礙在單位循環(huán)過程中吸收（吸收）和釋放（解吸）氫氣的速度相對較慢。在燃料電池中，涉及氫和氧的單獨化學反應產(chǎn)生電子流，其被引導為電流，從而產(chǎn)生水作為副產(chǎn)物，Cho表示，伯克利實驗室生產(chǎn)的石墨烯封裝的納米晶體的尺寸很小，僅約3-4納米，或十億分之一米，是新型燃料電池材料快速捕獲和釋放氫氣的關鍵。因為它們具有比較大尺寸的相同材料可用于反應的更多表面積，她補充說，另一個關鍵是保護鎂免受暴露在空氣中，這會使燃料電池無法使用。

在TheMolecularFoundry工作，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種簡單，可擴展且具有成本效益的“單鍋”技術，可以在同一批次中混合石墨烯片和氧化鎂納米晶體。他們后來在伯克利實驗室的高級光源中使用X射線研究了涂層納米晶體的結構。X射線研究表明，泵入燃料電池混合物的氫氣如何與鎂納米晶體反應形成更穩(wěn)定的分子，稱為氫化鎂，同時阻止氧氣到達鎂，它在空氣中穩(wěn)定，這很重要，”Cho說，研究的后續(xù)步驟將集中在使用不同類型的催化劑-這可以提高化學反應的速度和效率-進一步改善燃料電池的電流轉換，并研究不同類型的材料是否也可以改善燃料電池的Cho說，整體能力。