科学家称找到有效的方法 以机械化学方式在粉末中捕获和保持气体

来自迪肯大学前沿材料研究所的纳米技术研究人员声称，他们已经找到了一种超级有效的方法，以机械化学方式在粉末中捕获和保持气体，这可能会产生巨大和广泛的工业影响。

机械化学是一个相对较新的术语，指的是机械加工和化学反应在分子水平的结合，而不是热、光或电势差触发的化学反应。在这种情况下，机械力是由球磨提供的–这是一个低能量的研磨过程，在这个过程中，一个含有钢球的圆柱体被旋转，使钢球在侧面滚动，然后再次下降，粉碎和滚动里面的材料。

该团队已经证明，用精确压力水平的某些气体研磨一定数量的某些粉末可以触发机械化学反应，将气体吸收到粉末中并储存在那里，给你一个本质上是固态的存储介质，可以在室温下安全地保存气体，直到它们被需要。通过将粉末加热到一定程度，气体可以根据需要被释放。

该过程是可重复的，发表在《今日材料》杂志上的新研究的共同作者陈英（Ying(Ian) Chen）教授通过电话表示，在第一次实验中使用的氮化硼粉末在每个存储和释放周期中只损失了“大约百分之几”的吸收能力。“氮化硼是非常稳定的，”他表示，“石墨烯也是。我们正在研究一种能够清洁粉末并恢复其吸收水平的修复处理方法，但我们需要证明它能够发挥作用。”

从数字的角度来看，结果绝对是显著的。例如，这个过程可以将碳氢化合物气体从原油中分离出来，所使用的能源还不到今天的10%。“目前，汽油行业使用的是低温工艺，”陈教授说。“几种气体聚集在一起，所以为了净化和分离它们，他们在非常低的温度下将所有的东西冷却到液体状态，然后再将它们全部加热。不同的气体在不同的温度下蒸发，这就是他们分离它们的方式。”

当然，低温技术是一个高度能源密集型的过程，迪肯大学的团队发现，其球磨过程可以被调整为使用少得多的能源同样有效地分离出气体。他们发现，不同的气体会在不同的研磨强度、气体压力和时间段被吸收。一旦第一种气体被吸收到粉末中，它就可以被移除，并且可以用一组不同的参数重新运行该过程以捕获和储存下一种气体。同样，一些气体在温度较高的情况下从粉末中释放出来，如果它们被储存在一起，则提供了第二种分离气体的方法。

在该团队的实验中，他们成功地使用氮化硼粉末分离出烷基、烯烃和石蜡气体的组合。这个过程需要一段时间–一些气体在两小时后被完全吸收，另一些在20小时后仍只被部分吸收。但陈教授说这应该只是一个微调的问题。“我们正在继续研究不同的气体，使用不同的材料。我们希望很快能发表另一篇论文，我们还希望与工业界合作，进行一些真正的实际应用。”

即使需要一段时间，成本节约–以及能源节约和排放节约–也为广泛采用提供了一个非同寻常的理由。“一个20小时的研磨过程所消耗的能量是0.32美元，”论文中写道。“球磨气体吸附工艺估计消耗76.8 KJ/s来分离1000升的烯烃/石蜡混合物，这比低温蒸馏工艺少两个数量级。”

即使考虑到将粉末加热到几百度并释放气体所需的能量，这个过程也是非常高效的。而低温蒸馏是一个重要的、极其耗能的过程–根据2016年发表在《自然》杂志上的一项研究，仅塑料所需的烯烃丙烯和乙烯的低温蒸馏分离，在全球范围内消耗的能量就相当于整个新加坡–占整个世界能耗的0.3%。蒸馏作为一个整体要对全球能源使用的10-15%负责。因此，这项技术有机会在全球做出巨大贡献。

气体分离用例本身就是一个相当巨大的进步，但通过将气体安全地储存在粉末中，该团队相信它也解锁了一种令人信服的储存和运输氢气的方式，它可以在即将到来的清洁能源转型中发挥关键作用。

目前，纯氢气要么以气体形式储存，要么以低温液体形式储存。气态形式必须储存在海平面正常大气压力的700倍左右，或超过10100psi，这意味着有一个相当大的能量输入来压缩它，并且它需要能够安全地处理大压力负荷的储存罐。液态形式必须被冷却到大气压力下的氢气沸点以下：仅20.28 K（-252.87 °C，-423.17 °F），并且需要保持低温，有时还要加压，只要你储存它。这需要更多的能源。

“科学界一直在努力寻找一种合适的海绵型材料，可以储存大量的氢气，至少有半个世纪了，”陈教授说。“我们最近报道的技术是针对石蜡的，但我们可以储存更多的氢气。它不需要大量的能量，而且很安全；在正常条件下，它相当稳定，除非加热到几百度，否则氢不会被释放。因此，这确实有希望成为一种实用的固态存储技术–不仅仅是氢气，还有氨和其他燃料气体。”

虽然将粉末加热到几百度听起来是一个能源密集型的过程，但陈教授说，从气体到粉末再到气体的往返过程所消耗的能量甚至远远低于压缩气体。

“很难给出确切的数字，”他说，“因为与气体分离研究相比，我们目前只进行小规模的实验。但我们相信它使用的能量可能是压缩氢气所需能量的三分之一，甚至四分之一。而这一点可以在更大的规模下或通过优化研磨条件和材料进行改进。我们正在努力减少释放气体所需的能量 – 你储存的气体越多，释放气体所需的能量就越少。但仍有很多工作要做。”

随着氢气安全地储存在粉末中，它可以非常容易和安全地被移动和储存–这可能是一种非常引人注目的移动大量氢气以用于出口或分销的方式，因为它既便宜又比气体或液体容易处理，而且释放气体供另一端使用所需的设备将相当简单。

陈教授说，这种粉末也可以有潜力作为汽车和卡车的直接燃料。“它也可以在移动应用中具有优势，”他说，“这是目前氢能界最具挑战性的问题。但是，如果你想在车辆中这样做，我们必须考虑一个合适的罐子或容器，如何以可控的速度和速率释放它，加氢过程将是什么样子……这将需要更多的进一步工作。”

它在体积和重量的密度方面表现如何？陈教授表示，这种粉末可以储存大约6.5%的氢气重量百分比。他说：“每一克材料将储存大约0.065克的氢气。这已经超过了美国能源部规定的5%的目标。而就体积而言，对于每一克粉末，我们希望在其中储存大约50升的氢气。”

事实上，如果该团队证明了这些数字，它们将代表目前最好的固态氢气存储质量分数的瞬间翻倍，根据液化空气公司的说法，固态氢气存储质量分数只能达到2-3%。

不过，将这些重量和体积密度与气态或液态氢进行比较是很复杂的–有很多因素会影响到这个方程式。例如，每克50升听起来是一个巨大的数量，但在大气压力下，氢气的密度只有它在罐中压缩到700 bar时的密度的1/467。因此，每克粉末实际储存的氢气量与0.11升压缩的氢气气体相同。

ZeroAvia公司的Val Miftakhov表示，目前的压缩氢气罐比它们所携带的燃料要重得多，所以每携带1公斤的氢气，仍然要携带至少9公斤的罐子。因此，虽然粉末仍然需要它自己的容器和热释放系统来增加它的系统重量，但它可能并不是那么离谱。

这当然不像是航空业的解决方案，特别是考虑到我们在四月份看到的超轻GTL低温液体罐，据称即使将所有辅助设备考虑在内，也能将氢气的质量分数提高50%以上，使氢燃料客机的飞行距离是目前喷气燃料飞机的四倍，而燃料成本仅为一半。

但航空是一个对重量特别敏感的运输类别。粉末封存的氢气可能会被证明是如此便宜、方便和容易处理，以至于它在长途卡车运输中成为一个不需要考虑的问题。“我们真的想与一些卡车公司合作，”陈教授说，“因为我们的储存量远远高于目前的最佳结果。我们想与他们合作，看看要使这项技术在车辆中发挥作用可能会有什么挑战。在这一点上，我们需要行业支持。”

氮化硼很容易以工业数量获得，而且相对便宜，但陈说这项技术应该也适用于其他材料。“我们并不局限于氮化硼，”他说，“我们只是把它作为一个例子。你也可以使用石墨烯，作为另一个例子，我们正在继续研究其他材料。”

显然，这一进展有一些潜在的巨大影响，这可能对减少能源使用，减少排放，绿色能源转型，甚至降低燃料和化学品价格做出巨大贡献。该团队已经提交了临时专利申请，我们期待着随着该方法的完善和针对有用的应用，了解可能的情况。

该研究发表在《今日材料》杂志上。