伯克利实验室生产的石墨烯包裹镁纳米晶粉状混合物在空气中是稳定的。这种混合物的能量特性显示出在氢燃料电池中的应用前景。资料来源:Eun Seon Cho/Berkeley实验室

氢是地球和宇宙中最轻、最丰富的元素。因此，科学家们将氢作为一种清洁、无碳、几乎是无限的能源来开发汽车以及从便携式发电机到电信塔等一系列其他用途，而水则是燃烧的唯一副产品。

氢动力能源与当前汽车动力系统和其他能源技术更具竞争力，研究人员在美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)已经开发出一种新材料配方的强度氢燃料电池，周围贮氢镁纳米晶体与自动薄石墨烯上推进其性能。石墨烯可以保护纳米晶体不受氧气、水分和污染物的影响，而微小的自然孔可以让较小的氢分子通过。该过滤工艺克服了金属氢化物储氢性能下降的常见问题。

这些石墨烯包裹的镁晶体充当氢的“海绵”，提供了一种非常紧凑和安全的方式来吸收和储存氢。纳米晶体还允许更快的燃料，并减少整体“油箱”的大小。

金属氢化物材料储氢燃料电池汽车的应用，这种材料具有良好的性能，容量，可逆性，动力学和稳定。伯克利实验室研究员的一项主要作者新燃料电池相关公式的研究的，最近在自然通讯发表。

氧化石墨烯薄片(红色薄片)具有天然的原子级缺陷，允许氢气分子通过，同时阻止氧(O2)和水(H2O)等较大分子。伯克利实验室的研究人员用石墨烯氧化物薄片封装了纳米尺寸的镁晶体(黄色)，以制备金属氢化物燃料电池的新配方。资料来源:郑云金

在使用这些材料的氢燃料电池驱动的汽车中，被称为“金属氢化物”(与金属结合的氢)燃料电池，注入汽车的氢气将被镁纳米晶体粉末化学吸收，并在低压下变得安全。这项研究表明了未来氢储存和使用的可能性。

这些材料代表了一种普遍适用的方法来稳定反应性材料，同时仍然利用它们独特的活性概念，可以广泛应用于电池、催化和高能材料。这项研究是在伯克利实验室的分子铸造和先进光源实验室进行的，是一个名为HyMARC(氢材料-先进研究联盟)的国家实验室联盟的一部分，该联盟寻求更安全、更划算的氢存储。

包括丰田、本田和通用汽车在内的几家主要汽车制造商已经投资开发氢燃料电池汽车，但氢燃料电池汽车尚未在汽车销售方面取得重大进展。事实上，丰田去年在美国推出了一款名为Mirai的小型生产车型，使用压缩氢燃料罐，氢燃料电池汽车的一个潜在优势是氢的高比能，这意味着氢燃料电池可能比其他电池系统和燃料来源的重量更轻，同时产生更多的电能。

衡量氢燃料电池每重量的能量储存能力，即所谓的“重力能量密度”，大约是汽油的三倍。如果有效利用这一重要特性，可以扩大氢基运输车辆的总行驶里程，并延长许多其他应用的加油间隔时间。

高容量储氢汽车远程应用的性能超过现有电动车电池，如固定电源,叉车和机场车辆、便携式电源像笔记本电脑电池充电器、便携式照明、水和污水泵和紧急服务设备，在短期内可能更适合的氢燃料电池,。

金属氢化物储存的一个障碍是在单元循环过程中吸收(吸收)和释放(解吸)氢的速度相对较慢。在燃料电池中，涉及氢和氧的单独化学反应产生电子流，电子流以电流的形式传导，产生水作为副产品。另一个关键是保护镁不暴露在空气中，这将使它不能用于燃料电池。在分子铸造厂工作时，研究人员发现了一种简单、可伸缩、成本效益高的技术，可以将石墨烯片和氧化镁纳米晶体混合在一起。注入燃料电池混合物的氢气与镁纳米晶体发生反应，形成一种更稳定的分子，称为氢化镁，同时阻止氧气进入镁。

下一步的研究将集中在使用不同类型的催化剂可以提高化学反应的速度和效率进一步提高燃料电池的电流转换,在研究不同类型的材料是否还可以提高燃料电池的整体能力。