每日資訊：科學(xué)家稱找到有效的方法 以機(jī)械化學(xué)方式在粉末中捕獲和保持氣體

來自迪肯大學(xué)前沿材料研究所的納米技術(shù)研究人員聲稱，他們已經(jīng)找到了一種超級(jí)有效的方法，以機(jī)械化學(xué)方式在粉末中捕獲和保持氣體，這可能會(huì)產(chǎn)生巨大和廣泛的工業(yè)影響。

機(jī)械化學(xué)是一個(gè)相對(duì)較新的術(shù)語，指的是機(jī)械加工和化學(xué)反應(yīng)在分子水平的結(jié)合，而不是熱、光或電勢(shì)差觸發(fā)的化學(xué)反應(yīng)。在這種情況下，機(jī)械力是由球磨提供的--這是一個(gè)低能量的研磨過程，在這個(gè)過程中，一個(gè)含有鋼球的圓柱體被旋轉(zhuǎn)，使鋼球在側(cè)面滾動(dòng)，然后再次下降，粉碎和滾動(dòng)里面的材料。

(相關(guān)資料圖)

該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明，用精確壓力水平的某些氣體研磨一定數(shù)量的某些粉末可以觸發(fā)機(jī)械化學(xué)反應(yīng)，將氣體吸收到粉末中并儲(chǔ)存在那里，給你一個(gè)本質(zhì)上是固態(tài)的存儲(chǔ)介質(zhì)，可以在室溫下安全地保存氣體，直到它們被需要。通過將粉末加熱到一定程度，氣體可以根據(jù)需要被釋放。

該過程是可重復(fù)的，發(fā)表在《今日材料》雜志上的新研究的共同作者陳英（Ying(Ian) Chen）教授通過電話表示，在第一次實(shí)驗(yàn)中使用的氮化硼粉末在每個(gè)存儲(chǔ)和釋放周期中只損失了“大約百分之幾”的吸收能力。“氮化硼是非常穩(wěn)定的，”他表示，“石墨烯也是。我們正在研究一種能夠清潔粉末并恢復(fù)其吸收水平的修復(fù)處理方法，但我們需要證明它能夠發(fā)揮作用。”

從數(shù)字的角度來看，結(jié)果絕對(duì)是顯著的。例如，這個(gè)過程可以將碳?xì)浠衔餁怏w從原油中分離出來，所使用的能源還不到今天的10%。“目前，汽油行業(yè)使用的是低溫工藝，”陳教授說。“幾種氣體聚集在一起，所以為了凈化和分離它們，他們?cè)诜浅５偷臏囟认聦⑺械臇|西冷卻到液體狀態(tài)，然后再將它們?nèi)考訜帷２煌臍怏w在不同的溫度下蒸發(fā)，這就是他們分離它們的方式。”

當(dāng)然，低溫技術(shù)是一個(gè)高度能源密集型的過程，迪肯大學(xué)的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，其球磨過程可以被調(diào)整為使用少得多的能源同樣有效地分離出氣體。他們發(fā)現(xiàn)，不同的氣體會(huì)在不同的研磨強(qiáng)度、氣體壓力和時(shí)間段被吸收。一旦第一種氣體被吸收到粉末中，它就可以被移除，并且可以用一組不同的參數(shù)重新運(yùn)行該過程以捕獲和儲(chǔ)存下一種氣體。同樣，一些氣體在溫度較高的情況下從粉末中釋放出來，如果它們被儲(chǔ)存在一起，則提供了第二種分離氣體的方法。

在該團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)中，他們成功地使用氮化硼粉末分離出烷基、烯烴和石蠟氣體的組合。這個(gè)過程需要一段時(shí)間--一些氣體在兩小時(shí)后被完全吸收，另一些在20小時(shí)后仍只被部分吸收。但陳教授說這應(yīng)該只是一個(gè)微調(diào)的問題。“我們正在繼續(xù)研究不同的氣體，使用不同的材料。我們希望很快能發(fā)表另一篇論文，我們還希望與工業(yè)界合作，進(jìn)行一些真正的實(shí)際應(yīng)用。”

即使需要一段時(shí)間，成本節(jié)約--以及能源節(jié)約和排放節(jié)約--也為廣泛采用提供了一個(gè)非同尋常的理由。“一個(gè)20小時(shí)的研磨過程所消耗的能量是0.32美元，”論文中寫道。“球磨氣體吸附工藝估計(jì)消耗76.8 KJ/s來分離1000升的烯烴/石蠟混合物，這比低溫蒸餾工藝少兩個(gè)數(shù)量級(jí)。”

即使考慮到將粉末加熱到幾百度并釋放氣體所需的能量，這個(gè)過程也是非常高效的。而低溫蒸餾是一個(gè)重要的、極其耗能的過程--根據(jù)2016年發(fā)表在《自然》雜志上的一項(xiàng)研究，僅塑料所需的烯烴丙烯和乙烯的低溫蒸餾分離，在全球范圍內(nèi)消耗的能量就相當(dāng)于整個(gè)新加坡--占整個(gè)世界能耗的0.3%。蒸餾作為一個(gè)整體要對(duì)全球能源使用的10-15%負(fù)責(zé)。因此，這項(xiàng)技術(shù)有機(jī)會(huì)在全球做出巨大貢獻(xiàn)。

氣體分離用例本身就是一個(gè)相當(dāng)巨大的進(jìn)步，但通過將氣體安全地儲(chǔ)存在粉末中，該團(tuán)隊(duì)相信它也解鎖了一種令人信服的儲(chǔ)存和運(yùn)輸氫氣的方式，它可以在即將到來的清潔能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

目前，純氫氣要么以氣體形式儲(chǔ)存，要么以低溫液體形式儲(chǔ)存。氣態(tài)形式必須儲(chǔ)存在海平面正常大氣壓力的700倍左右，或超過10100psi，這意味著有一個(gè)相當(dāng)大的能量輸入來壓縮它，并且它需要能夠安全地處理大壓力負(fù)荷的儲(chǔ)存罐。液態(tài)形式必須被冷卻到大氣壓力下的氫氣沸點(diǎn)以下：僅20.28 K（-252.87 °C，-423.17 °F），并且需要保持低溫，有時(shí)還要加壓，只要你儲(chǔ)存它。這需要更多的能源。

“科學(xué)界一直在努力尋找一種合適的海綿型材料，可以儲(chǔ)存大量的氫氣，至少有半個(gè)世紀(jì)了，”陳教授說。“我們最近報(bào)道的技術(shù)是針對(duì)石蠟的，但我們可以儲(chǔ)存更多的氫氣。它不需要大量的能量，而且很安全；在正常條件下，它相當(dāng)穩(wěn)定，除非加熱到幾百度，否則氫不會(huì)被釋放。因此，這確實(shí)有希望成為一種實(shí)用的固態(tài)存儲(chǔ)技術(shù)--不僅僅是氫氣，還有氨和其他燃料氣體。”

雖然將粉末加熱到幾百度聽起來是一個(gè)能源密集型的過程，但陳教授說，從氣體到粉末再到氣體的往返過程所消耗的能量甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于壓縮氣體。

“很難給出確切的數(shù)字，”他說，“因?yàn)榕c氣體分離研究相比，我們目前只進(jìn)行小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)。但我們相信它使用的能量可能是壓縮氫氣所需能量的三分之一，甚至四分之一。而這一點(diǎn)可以在更大的規(guī)模下或通過優(yōu)化研磨條件和材料進(jìn)行改進(jìn)。我們正在努力減少釋放氣體所需的能量 - 你儲(chǔ)存的氣體越多，釋放氣體所需的能量就越少。但仍有很多工作要做。”

隨著氫氣安全地儲(chǔ)存在粉末中，它可以非常容易和安全地被移動(dòng)和儲(chǔ)存--這可能是一種非常引人注目的移動(dòng)大量氫氣以用于出口或分銷的方式，因?yàn)樗缺阋擞直葰怏w或液體容易處理，而且釋放氣體供另一端使用所需的設(shè)備將相當(dāng)簡(jiǎn)單。

陳教授說，這種粉末也可以有潛力作為汽車和卡車的直接燃料。“它也可以在移動(dòng)應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)，”他說，“這是目前氫能界最具挑戰(zhàn)性的問題。但是，如果你想在車輛中這樣做，我們必須考慮一個(gè)合適的罐子或容器，如何以可控的速度和速率釋放它，加氫過程將是什么樣子......這將需要更多的進(jìn)一步工作。”

它在體積和重量的密度方面表現(xiàn)如何？陳教授表示，這種粉末可以儲(chǔ)存大約6.5%的氫氣重量百分比。他說：“每一克材料將儲(chǔ)存大約0.065克的氫氣。這已經(jīng)超過了美國(guó)能源部規(guī)定的5%的目標(biāo)。而就體積而言，對(duì)于每一克粉末，我們希望在其中儲(chǔ)存大約50升的氫氣。”

事實(shí)上，如果該團(tuán)隊(duì)證明了這些數(shù)字，它們將代表目前最好的固態(tài)氫氣存儲(chǔ)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的瞬間翻倍，根據(jù)液化空氣公司的說法，固態(tài)氫氣存儲(chǔ)質(zhì)量分?jǐn)?shù)只能達(dá)到2-3%。

不過，將這些重量和體積密度與氣態(tài)或液態(tài)氫進(jìn)行比較是很復(fù)雜的--有很多因素會(huì)影響到這個(gè)方程式。例如，每克50升聽起來是一個(gè)巨大的數(shù)量，但在大氣壓力下，氫氣的密度只有它在罐中壓縮到700 bar時(shí)的密度的1/467。因此，每克粉末實(shí)際儲(chǔ)存的氫氣量與0.11升壓縮的氫氣氣體相同。

ZeroAvia公司的Val Miftakhov表示，目前的壓縮氫氣罐比它們所攜帶的燃料要重得多，所以每攜帶1公斤的氫氣，仍然要攜帶至少9公斤的罐子。因此，雖然粉末仍然需要它自己的容器和熱釋放系統(tǒng)來增加它的系統(tǒng)重量，但它可能并不是那么離譜。

這當(dāng)然不像是航空業(yè)的解決方案，特別是考慮到我們?cè)谒脑路菘吹降某pGTL低溫液體罐，據(jù)稱即使將所有輔助設(shè)備考慮在內(nèi)，也能將氫氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高50%以上，使氫燃料客機(jī)的飛行距離是目前噴氣燃料飛機(jī)的四倍，而燃料成本僅為一半。

但航空是一個(gè)對(duì)重量特別敏感的運(yùn)輸類別。粉末封存的氫氣可能會(huì)被證明是如此便宜、方便和容易處理，以至于它在長(zhǎng)途卡車運(yùn)輸中成為一個(gè)不需要考慮的問題。“我們真的想與一些卡車公司合作，”陳教授說，“因?yàn)槲覀兊膬?chǔ)存量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前的最佳結(jié)果。我們想與他們合作，看看要使這項(xiàng)技術(shù)在車輛中發(fā)揮作用可能會(huì)有什么挑戰(zhàn)。在這一點(diǎn)上，我們需要行業(yè)支持。”

氮化硼很容易以工業(yè)數(shù)量獲得，而且相對(duì)便宜，但陳說這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)該也適用于其他材料。“我們并不局限于氮化硼，”他說，“我們只是把它作為一個(gè)例子。你也可以使用石墨烯，作為另一個(gè)例子，我們正在繼續(xù)研究其他材料。”

顯然，這一進(jìn)展有一些潛在的巨大影響，這可能對(duì)減少能源使用，減少排放，綠色能源轉(zhuǎn)型，甚至降低燃料和化學(xué)品價(jià)格做出巨大貢獻(xiàn)。該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)提交了臨時(shí)專利申請(qǐng)，我們期待著隨著該方法的完善和針對(duì)有用的應(yīng)用，了解可能的情況。

該研究發(fā)表在《今日材料》雜志上。