新的研究演示了氢原子怎样嵌入用作储氢设备的超薄石墨烯包裹的镁纳米晶体颗粒氧化膜涂层。(红色表示氧原子、蓝色代表氢原子、金色表示镁纳米颗粒)

【据sciencedaily网站9月14号报道】能源部劳伦斯伯克利分校国家实验室（Berkeley Lab）将金属纳米晶体的粉末状混合物包裹在单层碳原子片中，为汽车和其他用途的燃料电池安全储氢带来了希望。目前，新的研究提供了观察晶体超薄涂层中原子结构的渠道，同时也在研究当储氢性能提高时涂层如何进行有效的电子屏蔽保护。

这项研究由伯克利实验室研究人员借鉴了实验室的一系列专家意见和能力，合成并覆盖了尺寸仅为3-4纳米（十亿分之一米）镁晶体;为了更好地了解晶体及其碳涂层的功能，（他们）用X射线研究其纳米级化学成分; 研究出辅助性理论并进行计算机模拟。

科学团队的研究结果可以帮助研究人员了解类似的涂层如何提高其他材料的性能和稳定性，这些材料表明储氢设备具有很好的前景。该研究项目是实验室研发工作之一，是美国能源部燃料电池技术办公室（能源效率与可再生能源办公室）在能源材料网络中成立的氢材料-高级研究联盟（HyMARC）的一部分。

类似于更著名的石墨烯（只有一个原子厚，以蜂窝图案排列的碳原子）的氧化还原石墨烯（或rGO），在保持较大的分子的情况下仍然具有允许氢原子通过的纳米级间隙。这种碳层薄膜旨在防止用作储氢材料的镁与外界环境（包括氧气，水蒸气和二氧化碳）反应。这种曝光可产生厚的氧化涂层，防止氢原子进入镁表面。但是最新的研究表明，在制备过程中，晶体会形成薄的原子层氧化膜。但是，更令人惊奇的是，形成的氧化膜并不会降低材料的性能。

伯克利分子制造实验室（DOE纳米分子科学研究中心）的博士研究员李文万在《纳米书刊》杂志上说：“以前我认为材料具有很好的保护性，但从我们的详细分析中可以看到一些氧化现象。”李文万补充说：“大多数人会质疑出现氧化膜对储氢非常不利，但事实并非如此，没有氧化膜会减小石墨烯氧化层会减小与镁之间的相互作用，而氧化膜中的碳-镁键结合似乎作用更强。

“氧化膜的作用是最终可以增强碳涂层的保护性。”她说，“而且没有什么副作用。”

分子铸造实验室理论设计总监David Prendergast和参与的研究者指出，目前一代氢燃料车辆使用压缩氢气为燃料电池发动机供电。他（总监）说：“这需要庞大的重型圆柱形储存箱，极大地限制了氢燃料汽车驱动效率，而纳米晶体可以将氢储存，从而避免使用庞大的氢气储存箱。该研究也表明薄氧化膜不一定会妨碍该材料吸收氢气的速率，这对汽车的提速很重要。基于对这些储氢材料中常规阻挡作用的了解，这一发现令人意外。这意味着燃料储存和供应过程中，在相同压力下，纳米晶体薄膜会比压缩氢气燃料箱泵入更高密度的氢气。

李文万得出的解释性实验数据模型表明，虽然晶体周围的氧化膜原子层比较薄，但发现随时间的推移，并不会进行氧化反应。这项研究大部分是利用伯克利实验室的先进光源（ALS）进行实验，先进光源（ALS）又是一种同步加速器的X射线源，它最早用于探索纳米晶体与氢气如何相互作用。李文万说：“研究的关键是通过模拟氧化膜的原子模型，然后进行X射线测量，得出最适合数据的模型来解释ALS X射线数据。这样我们才知道是在研究什么样的材料。只有在模拟材料表面非常洁净的情况下，模拟的结果才更能代表纳米晶体的真实缺陷。下一步就是通过实验和模拟，研究出更理想的储氢材料，如金属氢化物（氢-金属化合物），也可用作石墨烯镀层材料。使用金属氢化物可以获得更好的储氢能力，我们想要氢气能在常温、常压下储存与使用。”

这些金属氢化物材料中的一些模拟起来相当费时，研究团队计划用伯克利实验室国家能源研究科学计算中心（NERSC）的超级计算机来进行这项工作。

“当前我们已经对镁纳米晶体材料有了不错的了解，我们有能力转而去研究其他材料，以加快研究的过程。”李文万说。

文章来自sciencedaily，原文题目为 Graphene-wrapped nanocrystals makes inroads toward next-gen fuel cells，由材料科技在线汇总整理。