客观日本

日本开发出轻量安全的氢载体材料,室温大气环境下照射紫外光即可释放氢

2019年11月07日 化学材料

东京工业大学物质理工学院材料系研究生2年级的河村玲哉和宫内雅浩教授,与筑波大学的副教授近藤刚弘、研究员Nguyen Thanh Cuong和教授冈田晋、高知工科大学的教授藤田武志及东京大学物性研究所的副教授松田岩等人组成的联合研究团队发现,硼和氢的组成比为1:1的硼化氢片材只需在室温和大气压下进行光照就能释放氢。

硼化氢片材最初是在理论上以硼烯(Borophene)这一通用名预测存在的二维物质,2017年9月该研究团队首次成功合成出了硼化氢片材。硼化氢片材由轻元素硼和氢构成,氢质量密度高达8%以上,有望作为轻量安全的氢载体使用,取代存在爆炸风险的储氢罐。

此次发现的现象只需向硼化氢片材单纯照射紫外光,即可在室温和大气压条件下提取氢气。利用该技术运输存在爆炸危险的氢时,有望实现远远高于需要高温高压的传统方法的安全性。另外,该研究还利用计算科学从电子结构的角度成功查明了通过光照释放氢的机制。

相关研究成果已于10月25日发布在《自然通讯》(Nature Communications)上。

日本开发出轻量安全的氢载体材料,室温大气环境下照射紫外光即可释放氢

图1:照射紫外光从硼化氢片材释放氢的模式图

研究背景

由单层或数层厚的原子构成的物质称为二维物质,针对以石墨烯为首的很多二维材料,研究人员着眼于其与普通物质不同的性质展开了各种各样的基础研究和应用研究。有报告显示,理论研究表明,仅由硼构成的二维物质硼烯的性能超过了石墨烯,但要想成功合成硼烯,需要高温和超高真空等特殊条件。

对此,上述研究团队在室温和大气压这种非常稳定的条件下,成功合成了使氢与拥有二维骨架的硼键合的二维物质硼化氢片材。硼化氢片材由轻元素硼和氢构成,因此其氢质量密度高达8.5%,作为轻量安全的氢载体材料的应用备受期待,有望取代存在爆炸风险的高压储氢罐。

研究成果

研究团队通过第一性原理计算确认,硼化氢片材中会发生硼由成键轨道向反键轨道迁移(α→β),以及氢向反键轨道迁移的现象(α→γ,图2)。尤其是氢向反键轨道的迁移,相当于紫外线的能量。研究团队做了一个假设,即如果可以通过光能将电子迁移到γ轨道,应该可以削弱氢的键合,只需在常温常压下照射紫外线即可释放氢。

日本开发出轻量安全的氢载体材料,室温大气环境下照射紫外光即可释放氢

图2:硼化氢片材的透射电子显微镜照片(a)、晶体结构(b)和电子结构(c)

为验证这个假设,研究团队使用2种光源分析了硼化氢片材释放的气体。照射可见光时,会发生硼由成键轨道向反键轨道迁移(α→β)的现象,而照射紫外线时,则会发生氢向反键轨道迁移(α→γ)的现象。这个结果与第一性原理计算的预测结果相同,确认照射紫外线可以生成氢(图3(a))。另外,对照射紫外线时的氢生成量进行定量分析确认,可以释放出相当于硼化氢片材质量的8%的氢气(图3(b))。

以往的贮氢合金的氢质量密度最高只有2%左右。另外,甲基环己烷等有机氢化物也被视为有前景的氢载体,但其氢质量密度为6.2%,而且释放氢气需要加热到300 ℃以上。此次发现,宫内教授等人报告的硼化氢片材与以往的氢载体相比只需光照这种非常简单的操作即可释放大量氢气。

日本开发出轻量安全的氢载体材料,室温大气环境下照射紫外光即可释放氢

图3:(a)硼化氢片材的氢释放特性(照射光的波长依赖性。filter区域插入了滤除波长为490nm以下的光的滤光器)(b)照射紫外线时的氢生成能力

未来展望

现有车载燃料电池配备的是高压氢燃料罐,根据此次的研究成果,今后有望将硼化氢片材作为更加安全、轻量、简便的便携氢载体使用。

论文信息
题目 :Photoinduced hydrogen release from hydrogen boride sheets
发表期刊 :《自然通讯》
DOI :10.1038/s41467-019-12903-1 outer

日文新闻发布全文

文:JST客观日本编辑部翻译整理

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