詹东平课题组通过空间限域电化学体系设计论证了石墨烯储氢可达到碳氢原子比为1:1的理论容量

高密度储存、安全运输和可逆释放是氢能应用的关键科学问题，其中储氢是第一步。传统气态储氢方式的质量能量密度低，且存在巨大安全隐患。高密度固态储氢技术是目前的研究热点，其中石墨烯被认为是有前景的储氢材料。然而，基于氢分子和石墨烯之间范德华力的物理吸附，无法满足质量能量密度要求。因此，基于氢原子和石墨烯之间化学吸附原理的原子态储氢成为主要攻关方向。

理论计算预测，若石墨烯的每个碳原子都能提供一个氢原子吸附位点，即碳氢原子比为1:1时，则其储氢重量百分比为7.7 wt%。目前通用的方法是采用石墨烯负载催化剂，在低温、高压的热力学条件下，在催化剂表面将氢气解离为氢原子，氢原子溢流到石墨烯上，通过表面扩散和化学吸附存储在石墨烯上。然而，低温时氢气解离速率低，高温却导致氢原子脱附。目前原子态储氢的容量和效率都很低，美国能源部的研究目标是在2025年实现5.5 wt%的存储容量。

厦门大学詹东平教授课题组采用化学气相沉积法在铂箔上沉积单层石墨烯，将内置参比电极、对电极和电解质溶液的微管固定在单层石墨烯/铂箔（工作电极）上，构建空间限域的电化学系统；采用质子（而不是氢气！）为氢源，在常温常压实验条件下，通过循环伏安法和电势阶跃法测定单层石墨烯上吸附氢原子的存储容量高达7.3 wt%。若考虑单层石墨烯的结构缺陷，则从实验上论证了石墨烯碳氢原子比为 1:1的理论储氢容量。

石墨烯的电化学储氢机理是一个“电催化还原-溢流-表面扩散-化学吸附”的表面电化学过程。工作电极上未被单层石墨烯覆盖的铂位点为电催化剂，所产生的吸附氢原子溢流到石墨烯表面，并通过表面扩散和化学吸附存储在单层石墨烯上。单层石墨烯是惰性的，并不能将质子还原成吸附氢原子，而是为后者提供了吸附位点。而且，这个表面电化学过程是可逆的。在阳极极化时，存储在单层石墨烯上的吸附氢原子通过表面扩散和反溢流，在铂位点发生法拉第脱附，储氢容量就是根据饱和脱附电量计算得到的。

采用电化学方法进行原子态储氢的最大优点在于氢源不必是氢气，而是质子或者水。这种储氢方式无需高压或低温的环境要求，在常温常压下就可以进行。与储氢合金一样，储氢石墨烯本身就是一种储能材料，可以作为二次电池、氧气或空气电池以及新型燃料电池的负极，在化学电源领域具有广阔的应用前景。由于石墨烯上储存的氢原子很容易通过升温释放出氢气，该研究成果对于氢能的存储和应用也具有重要价值。

图1 石墨烯储氢的示意图 

详见：Quanfeng He, Lanping Zeng, Lianhuan Han*, Juan Peng, Matthew M. Sartin, Yuan-Zhi Tan*, Dongping Zhan*, Zhong-Qun Tian. Electrochemical hydrogen-storage capacity of graphene can achieve a carbon-hydrogen atomic ratio of 1:1. Science China Chemistry, 2021, doi: 10.1007/s11426-021-1127-1。

扫描二维码免费阅读全文

【扩展阅读】

通讯作者简介

韩联欢 厦门大学航空航天学院机电工程系助理教授。2009年于郑州大学获得学士学位，2015年于厦门大学获得博士学位，2015年-2018年于哈尔滨工业大学机电学院从事博士后研究工作，2018年10月起任厦门大学航空航天学院机电工程系助理教授。主要研究领域包括电化学微纳制造、扫描电化学显微镜、约束刻蚀剂层技术。

谭元植 厦门大学化学化工学院教授。2006年和2011年于厦门大学分别获得学士和博士学位。2011年~2013年于德国马克思普朗克聚合物研究所从事博士后研究工作，2013年11月任厦门大学化学化工学院副教授，2014年11月任厦门大学化学化工学院教授。主要从事富碳纳米分子（如石墨烯分子、巴基碗、碳纳米环等）的合成、功能化、超分子组装及其相关性能研究。

詹东平 厦门大学化学化工学院教授。1994年于哈尔滨工程大学获得学士学位，2002年于武汉大学获得理学博士学位，2002年~2009年分别于北京大学、德州大学奥斯汀分校和纽约市立大学皇后学院从事博士后研究工作，2009年任厦门大学化学化工学院副教授，2013年任厦门大学化学化工学院教授。2018年起担任《中国科学：化学》(Science China Chemistry)和《电化学》等学术期刊编委。从事微纳尺度电极过程动力学、电化学微纳制造和电子电镀技术、先进电化学仪器和加工装备研究。