近日，biwn必赢詹东平教授课题组和谭元植教授课题组合作，通过空间限域电化学体系设计，从实验上论证了石墨烯储氢可达到碳氢原子比为1:1、重量比为7.7%的理论容量，相关研究成果以“Electrochemical hydrogen-storage capacity of graphene can achieve a carbon-hydrogen atomic ratio of 1:1”为题发表于《中国科学：化学》(Sci China Chem, DOI: 10.1007/s11426-021-1127-1)。
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，而原子态储氢是解决该问题的重要攻关方向。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。目前原子态储氢容量仅达到4.5%，美国能源部的研究目标是在2025年论证5.5 wt%的存储容量。
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；以质子而非氢气作为氢源，在常温常压条件下，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可高达7.3 wt%。若考虑单层石墨烯存在少量的结构缺陷，该体系从实验上验证了石墨烯碳氢原子比为1:1的理论储氢容量。
机理研究表明，石墨烯的电化学储氢机理涉及“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，释放出氢气。
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也可以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具有更为重要的价值。
石墨烯储氢的示意图
该工作实验部分主要由biwn必赢2015级博士生何权烽完成，2016级博士生曾兰平参与了部分实验工作，biwn必赢谭元植教授和航空航天学院韩联欢助理教授为本文的共同通讯作者。研究工作得到国家自然科学基金委国家重大科研仪器研制项目“纳米尺度电化学：仪器、原理和方法”（项目编号：21827802）的资助。
论文链接：https://www.sciengine.com/publisher/scp/journal/SCC/doi/10.1007/s11426-021-1127-1?slug=abstract
