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新儲氫體系實現常溫常壓下儲運氫氣

來源:鉅大LARGE    2019-07-13    點擊量:127

近日,中國科學院大連化學物理研究所復合氫化物材料化學研究組副研究員何騰和研究員陳萍領導的團隊與廈門大學教授吳安安、美國西北太平洋國家實驗室Tom Autrey等合作,在儲氫材料研究方面取得新進展,相關研究成果以背頁封面形式發表在《德國應用化學》(Angew. Chem. Int. Ed.)上。


氫以其能量密度高、無污染等優點,一直被認為是儲能和運輸的理想載體。然而,缺乏安全高效的儲氫介質被認為是氫能應用技術的瓶頸。目前,世界各大汽車公司均采用高壓氣罐作為商業燃料電池汽車的儲氫系統。然而,該系統壓力高達350-700bar,安全性一直受到關注;此外,高壓氣罐的罐體材料為高強度碳纖維,其造價昂貴,這也是限制燃料電池汽車迅速推廣的原因之一。將氫氣儲存于凝聚態物質中是近二十年儲氫材料研究的熱點,各種新穎的材料被陸續開發出來。然而這些材料均存在自身的不足,因此開發安全、高效、廉價的氫氣儲存和運輸載體,將為燃料電池汽車推廣,以及氫能源規?;瘧锰峁┯行У慕鉀Q方案。


近期,該團隊提出一種全新的策略:利用金屬的電負性差異,修飾有機儲氫材料的電子性質,合成出了一類新穎的有機-無機雜化儲氫體系——金屬有機化合物。理論計算表明,增加有機碳環中的電子密度,可以顯著降低有機物的脫氫焓變,且電子密度越高,脫氫焓變越低,科研人員利用具有較強供電子性質的堿金屬或堿土金屬改性有機儲氫材料,發現其環中電子密度明顯增加,從而有效地降低了有機材料的脫氫焓變;同時理論計算還表明,隨著金屬的供電子性質增強,材料的脫氫焓變越低,即通過選擇不同的金屬,可以可控地調變材料的脫氫焓變,從而在熱力學上控制材料的脫氫溫度。該工作以鈉修飾的苯酚-環己醇為例,計算發現其脫氫焓變可以從64.5kJ/mol-H2降低為50.4kJ/mol-H2;此外,隨著金屬給電子能力增強,環己醇鈉α位C-H鍵鍵長增加,二者成線性關系,這說明材料經過有機無機雜化后,已經被活化,并且脫氫過程中α位C-H鍵優先斷裂。


實驗結果發現,苯酚鈉-環己醇鈉體系可以在150℃、商業催化劑下完成可逆儲氫循環。而將材料溶解于水中進行儲氫循環反應后,可以進一步將材料的加脫氫溫度降低至100℃以下。這相對于常見的液態有機儲氫材料有明顯的降低,該類金屬有機化合物可以在常溫常壓下存儲和運輸氫氣,避免高壓氣罐帶來的危險。另外,由于有機底物種類多、變化多,與無機金屬雜化后可以衍生出更多種類的候選材料,供進一步篩選。因此,該研究為未來低溫可逆儲氫材料的開發開辟了嶄新的思路。


該工作得到國家自然基金委面上項目、科技部國際合作重點專項、大連化物所自主部署基金的資助。


背頁封面


大連化物所金屬有機化合物用于儲氫材料研究取得新進展




原標題:大連化物所金屬有機化合物用于儲氫材料研究取得新進展


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