三明治，不少人都品嘗過，但今天本期科技能見度要說的“三明治”，卻非常神奇，它可以讓我們傳統儲存電能的電池變成一個小型發電廠，而且與傳統電池區別最大的是，它還是一種清潔能源。

近日，中國科學技術大學科研團隊的一項研究顯示，利用石墨烯材料做“容器”，采用類似“三明治”的結構，有望解決高儲氫率下的安全儲氫以及低成本收集氫氣兩方面問題，從而促成氫氣燃料電池的發展。該研究的相關論文發表在學術刊物《自然·通訊》上。

氫能源發熱值是汽油3倍

氫能，是公認的清潔能源。早在20世紀70年代，“氫能經濟”這一概念就被提出。簡單來說，其設想了用太陽光驅動，利用水制造氫氣，并以氫為媒介（制備、儲存、運輸和轉化）取代現有的石油經濟體系，從而達到環保可再生的目標。

對于氫能的優勢，上述論文的通訊作者、中國科學技術大學化學與材料科學學院江俊教授提到三點：其一，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。其二，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。第三，氫的來源也非常廣泛，除了礦物燃料制氫外，無處不在的水也被稱為“氫礦”。

目前，氫能的應用主要以燃料電池為核心。燃料電池概念最早由英國威爾士科學家格羅夫（WilliamGrove）于1839年提出，燃料和空氣分別送進燃料電池，電就被生產出來。它從外表上看有正負極和電解質等，像一個蓄電池，但實質上它不能“儲電”而是一個“發電廠”。

氫燃料電池與普通電池的區別主要在于：干電池、蓄電池是一種儲能裝置，是把電能貯存起來，需要時再釋放出來；而氫燃料電池嚴格地說是一種把化學能直接轉化為電能的發電裝置。

氫能源成本和安全仍有局限

浙江大學化學工程與生物工程學系趙永志副教授等專家認為，氫能源在包括燃料電池汽車、分布式發電、應急電源等領域的應用，已接近產業化。

在氫燃料電池汽車方面，日本的研究“走得很早”，如豐田甚至有實驗性質的氫燃料電池汽車Mirai，并且已經少量上市銷售。在國內，氫燃料電池汽車開發也緊隨其后，在北京奧運會、上海世博會、廣州亞運會及深圳大運會期間，中國都開展了燃料電池汽車的示范項目。

清華大學汽車工程系李建秋教授認為，預計到2020年，國內燃料電池汽車將有1萬輛左右示范運行，從2025年開始，燃料電池汽車產量將會大幅度提高，按照每年10萬輛的速度遞增。

不過，成本和安全上的考慮仍無法回避。如同濟大學汽車學院副研究員鄭俊生曾表示，電池價格高企是制約氫燃料汽車發展的瓶頸之一。他解釋，氫燃料電池的催化劑是鉑金類金屬，其價格高昂，雖然技術進步大幅減少了使用量，但仍然制約了氫燃料電池的成本。此外，由于氫氣的貯藏與運輸面臨特殊困難，同時加氫站作為氫燃料電池汽車重要基礎設施建設成本較高，均限制了其推廣。

而“分布式發電”，一般是指靠近最終用戶處（工廠、商業企業、公共建筑、街區、私人住戶）的集成或者單機的小型發電裝置。目前，以燃料電池為主的分布式發電已在歐美及日韓等地區開始初步商業化。

另外，作為應急電源，氫燃料電池相較鉛酸蓄電池來說，其具有的能源效率高、環境友好、占地面積小、質量輕、運行穩定可靠、壽命長等特點，也開始受到應急電源市場越來越多的青睞。目前，在通信領域，用燃料電池做應急電源已不罕見，如我國三大電信運營商也已經有燃料電池備用電源投入使用。

蘭州大學物理學博士褚士兵在其論文中寫道，高效的氫氣儲存是燃料電池進行廣泛商業應用的一個條件。但是現在多數的氫氣儲存方法，包括壓縮、液化、金屬氧化物，都難以達到完全取代化石燃料的最低標準。

對于氫燃料電池，科學家的另一種儲存思路是，把氫氣通過物理或者化學吸附形成固態物質，比如與金屬原子形成金屬氫化物，與有機分子形成化學氫化物。此外，利用大表面材料如富勒烯、石墨烯等吸附也是一種思路。

用石墨烯可實現安全儲氫

2004年，英國曼徹斯特大學安德烈·海姆教授和康斯坦丁·諾沃肖羅夫博士等，用膠帶反復剝離高定向熱解石墨的方法，得到了穩定存在的石墨烯。由于石墨烯優異的電學、光學和機械性能，以及石墨烯廣泛的應用前景，其發現者海姆和諾沃肖羅夫被授予2010年度諾貝爾物理學獎。

成功制得石墨烯之后，海姆團隊進一步研究，證實石墨烯能讓質子穿透，這意味著可將空氣中的氫氣制成燃料電池，產生電力和水分，成為一種無碳、無污染的革命性環保能源。

江俊介紹，他們的研究正是受到了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，將碳氮材料夾在兩層石墨烯中。

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，將帶有能量的正負電荷迅速分離，并分別跑到外層石墨烯和碳氮夾心層，充分施展出二者各自的能力：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，遇到電子后反應產生氫氣。由于只有質子能夠通過石墨烯，而產生的氫氣不能穿透石墨烯，光解水產生的氫氣分子被安全地保留在三明治復合體系內。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。

江俊介紹，不僅是石墨烯和碳氮材料，其他如富勒烯、碳納米管等和光催化劑也可用于這一復合體系中。這為實現太陽能裂解水轉換為氫能創造了可能，并進而有助于氫能的大規模應用。