奈米摺紙,石墨烯盒子成為氫燃料電池新希望

作者 | 發布日期 2014 年 03 月 26 日 15:35 | 分類 能源科技
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先前《科技新報》報導 1 美元摺紙顯微鏡,無獨有偶的,摺紙概念也應用在奈米層級,要打造便宜又有效率的新型氫容器。話說氫燃料電池的發展關鍵之一,就是如何儲存氫,美國能源部就認為氫的儲存技術相當重要,訂下發展時程,計畫要在 2017 年,開發出可以攜帶總重量 5.5% 氫的容器



,到 2020 年,則重量比要提升到 7.5%。一個容器裡頭只有 5.5% 重量是氫,會不會太少?這一方面是因為氫的重量很輕,一方面是為了安全因素增加了很多額外重量,因此現有的氫儲存方式,可說非常沒有效率。

馬里蘭大學的李騰教授及其研究團隊,卻輕鬆地打破了2020年的目標,是怎麼做到的?關鍵就在於先前提過的摺紙概念。概念其實很簡單,我們都有拿廣告紙摺成紙盒來裝東西的經驗,研究團隊就是用奈米摺紙盒來裝氫原子。

不過,研究團隊摺的不是紙,而是地球上最薄的摺紙材料石墨烯,這是奈米層級的摺紙,當然也不可能用手摺,而是讓它自己摺起來,還能自己打開。

整個過程稱之為「氫協助下的石墨烯摺紙」(hydrogenation-assisted graphene origami ,HAGO),原理是這樣的,石墨烯是一片極薄的碳原子片,研究團隊先把石墨烯裁成可摺成紙盒的形狀,當氫原子附著在石墨烯上頭,會產生靜電引力,讓石墨烯自己摺成盒子狀,把氫原子包在裡頭。

 

 

而當需要取出氫原子的時候,就對盒子施以電場,抵銷天然的靜電,盒子就會自動打開,釋放出氫原子;只要電場關閉,石墨烯又會自動摺回去,這個過程可以重複無數次,結構仍然保持穩定,過去曾認為奈米碳管可成為高效率的輕容器,但由於結構不穩定,最後實際的表現只有 1%,這次石墨烯摺紙技術則沒有此種問題,而由於摺紙方式可容納更多氫原子,石墨烯本身又是輕量材料,因此重量比可達到 9.7%,遠遠超過了美國能源部訂下的未來目標。

小時候我們摺紙鶴,摺紙袋鼠,只為了好玩與打發時間,誰知道摺紙也可以是未來能源技術的關鍵呢?

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