石墨烯「三明治」：讓制氫儲氫更方便

一、氫能經濟：最「完美」的可持續能源方案

能源與環境危機是制約全球可持續發展的大問題。氫能經濟（Hydrogen economic）是20世紀70年代提出的一個最「完美」的可持續能源方案，以氫為媒介（製備、儲存、運輸和轉化）的一種未來的經濟結構設想。以用之不竭的太陽光碟機動，利用水製造氫氣。

作為能源，氫能有著很優秀的品質：（1）氫氣含能高，除核燃料外，氫的發熱值是目前所有燃料中最高的，是汽油的3倍。氫的高能，使氫成為推進航天器的重要燃料之一。（2）氫氣是一種清潔能源，本身無毒，燃燒產物是水，無污染，且可以循環使用。（3）氫的來源也非常廣泛和廉價。所以可以這麼說，氫能是最理想的、完美的能源。

而氫能作為一種高效、清潔、可持續的「無碳」能源已得到世界各國的普遍關注，被譽為21世紀的能源。發展氫能經濟是人類擺脫對化石能源的依賴、保障能源安全的永久性戰略選擇。

二、兩大瓶頸制約太陽能制氫發展

然而，長久以來太陽能制氫的發展停滯不前，「氫能經濟時代」的大門似乎已經關閉。其原因在於兩方面技術瓶頸。一方面，氫氣生成後很難與氧氣分離，其收集很困難，氫與氧容易發生逆反應變回為水分子；另一方面，氫氣的安全存儲是一項長期的挑戰。氫氣（H2）與氧氣（O2）混合極易發生反應，產生爆炸，十分危險。此外，傳統利用金屬鋼瓶來儲氫成本高，運輸和使用都很不方便。因此，在開發出低成本收集氫氣和安全儲氫的解決方案之前，太陽能光解水制氫無法得以有效的大規模應用。

三、首個太陽能制氫儲氫一體化的材料體系

為解決上述問題，中國科學技術大學微尺度物質科學國家實驗室羅毅、江俊研究小組設計了一種「三明治」結構材料體系。該研究小組長期深耕於太陽能光催化材料的理論設計並精準調控其電子演化行為，提出了一系列在實驗中行之有效的光催化體系。此次他們基於量子化學理論，設計了首個太陽能制氫儲氫一體化的材料體系，該方案具有低成本、通用性、安全儲氫的優點。相關成果以 Combiningphotocatalytic hydrogen generation and capsule storage in graphene basedsandwich structures 為題發表在《自然?通訊》(Nature Communications)上。

這項工作是受到了石墨烯的發現者、諾貝爾獎得主安德烈·海姆近年工作的啟發：石墨烯能夠隔絕所有氣體和液體，卻對質子能夠「網開一面」，大方放行。利用這一大自然給質子開的「方便之門」，江俊等設計了一種三明治結構，其中碳氮材料成為了兩層官能團修飾的石墨烯的「夾心」。

圖1 石墨烯三明治捕獲太陽能分解水生產氫氣的四個步驟

這種「夾心」的三明治結構可以同時吸收紫外光和可見光，利用源源不斷的太陽光能產生正負電荷。帶有能量的正負電荷將迅速分離並分別跑到外層石墨烯和碳氮夾心層，充分的施展出二者各自的能力。

當水分子遇見了外層的正電荷，反應的「火花」產生了，水分子發生分解，產生質子。這些產生的質子可並不安分，它們受夾心層碳氮上的負電荷召喚（如圖1內建電場的偶極矩所示），穿透石墨烯材料，歡快的運動到內部的碳氮材料上，與早早等待它們的電子發生反應產生氫氣。由於石墨烯僅僅對質子有「偏愛」，光解水產生的氫氣無法穿透石墨烯材料，只能安穩的呆在三明治複合體系內；同時，石墨烯的這種「偏愛」也使得氧原子與分子(O2)，羥基(OH)等無法進入複合體系，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。

圖2 太陽能驅動生成的氫氣分子被石墨烯材料巧妙安全封裝

就這樣，用不含金屬的低成本材料，江俊等巧妙地抑制了太陽能制氫的逆反應發生，實現了氫氣的有效提純，實現了首個安全制氫與儲氫一體化的設計。

而這個三明治複合體系將不僅僅局限於石墨烯和碳氮材料，其他經官能團修飾的低維碳材料（如富勒烯，碳納米管等）和光催化劑也可以用於這一複合體系中。這將為實現太陽能轉換為氫能，以及氫能的大規模應用解決最困難的氫氣分離和安全存儲運輸兩個瓶頸問題，為再次啟動「氫能經濟時代」打開了大門。

相關工作得到了科技部青年973項目、國家自然科學基金、中國科學院先導項目的資助，該論文第一作者為化學學院博士生楊麗，李喜玉和張國楨博士為並列一作，江俊為通訊作者。

作者:江俊

來源：中國科學技術大學