科學家稱找到有效的方法 以機械化學方式在粉末中捕獲和保持氣體

澳大利亞的科學家們表示，他們在氣體分離和儲存方面取得了“尤里卡時刻”的突破，可以從根本上減少石化行業的能源使用，同時使氫氣在粉末中的儲存和運輸更加容易和安全。

來自迪肯大學前沿材料研究所的納米技術研究人員聲稱，他們已經找到了一種超級有效的方法，以機械化學方式在粉末中捕獲和保持氣體，這可能會產生巨大和廣泛的工業影響。

機械化學是一個相對較新的術語，指的是機械加工和化學反應在分子水平的結合，而不是熱、光或電勢差觸發的化學反應。在這種情況下，機械力是由球磨提供的–這是一個低能量的研磨過程，在這個過程中，一個含有鋼球的圓柱體被旋轉，使鋼球在側面滾動，然後再次下降，粉碎和滾動裡面的材料。

該團隊已經證明，用精確壓力水平的某些氣體研磨一定數量的某些粉末可以觸發機械化學反應，將氣體吸收到粉末中並儲存在那裡，給你一個本質上是固態的存儲介質，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，氣體可以根據需要被釋放。

該過程是可重複的，發表在《今日材料》雜誌上的新研究的共同作者陳英（Ying(Ian) Chen）教授通過電話表示，在第一次實驗中使用的氮化硼粉末在每個存儲和釋放周期中只損失了“大約百分之幾”的吸收能力。“氮化硼是非常穩定的，”他表示，“石墨烯也是。我們正在研究一種能夠清潔粉末並恢復其吸收水平的修復處理方法，但我們需要證明它能夠發揮作用。”

從數字的角度來看，結果絕對是顯著的。例如，這個過程可以將碳氫化合物氣體從原油中分離出來，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，他們在非常低的溫度下將所有的東西冷卻到液體狀態，然後再將它們全部加熱。不同的氣體在不同的溫度下蒸發，這就是他們分離它們的方式。”

當然，低溫技術是一個高度能源密集型的過程，迪肯大學的團隊發現，其球磨過程可以被調整為使用少得多的能源同樣有效地分離出氣體。他們發現，不同的氣體會在不同的研磨強度、氣體壓力和時間段被吸收。一旦第一種氣體被吸收到粉末中，它就可以被移除，並且可以用一組不同的參數重新運行該過程以捕獲和儲存下一種氣體。同樣，一些氣體在溫度較高的情況下從粉末中釋放出來，如果它們被儲存在一起，則提供了第二種分離氣體的方法。

在該團隊的實驗中，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。這個過程需要一段時間–一些氣體在兩小時后被完全吸收，另一些在20小時后仍只被部分吸收。但陳教授說這應該只是一個微調的問題。“我們正在繼續研究不同的氣體，使用不同的材料。我們希望很快能發表另一篇論文，我們還希望與工業界合作，進行一些真正的實際應用。”

即使需要一段時間，成本節約–以及能源節約和排放節約–也為廣泛採用提供了一個非同尋常的理由。“一個20小時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數量級。”

即使考慮到將粉末加熱到幾百度並釋放氣體所需的能量，這個過程也是非常高效的。而低溫蒸餾是一個重要的、極其耗能的過程–根據2016年發表在《自然》雜誌上的一項研究，僅塑料所需的烯烴丙烯和乙烯的低溫蒸餾分離，在全球範圍內消耗的能量就相當於整個新加坡–占整個世界能耗的0.3%。蒸餾作為一個整體要對全球能源使用的10-15%負責。因此，這項技術有機會在全球做出巨大貢獻。

氣體分離用例本身就是一個相當巨大的進步，但通過將氣體安全地儲存在粉末中，該團隊相信它也解鎖了一種令人信服的儲存和運輸氫氣的方式，它可以在即將到來的清潔能源轉型中發揮關鍵作用。

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

“科學界一直在努力尋找一種合適的海綿型材料，可以儲存大量的氫氣，至少有半個世紀了，”陳教授說。“我們最近報道的技術是針對石蠟的，但我們可以儲存更多的氫氣。它不需要大量的能量，而且很安全；在正常條件下，它相當穩定，除非加熱到幾百度，否則氫不會被釋放。因此，這確實有希望成為一種實用的固態存儲技術–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遠低於壓縮氣體。

“很難給出確切的數字，”他說，“因為與氣體分離研究相比，我們目前只進行小規模的實驗。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。而這一點可以在更大的規模下或通過優化研磨條件和材料進行改進。我們正在努力減少釋放氣體所需的能量 – 你儲存的氣體越多，釋放氣體所需的能量就越少。但仍有很多工作要做。”

隨着氫氣安全地儲存在粉末中，它可以非常容易和安全地被移動和儲存–這可能是一種非常引人注目的移動大量氫氣以用於出口或分銷的方式，因為它既便宜又比氣體或液體容易處理，而且釋放氣體供另一端使用所需的設備將相當簡單。

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。“它也可以在移動應用中具有優勢，”他說，“這是目前氫能界最具挑戰性的問題。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，加氫過程將是什麼樣子……這將需要更多的進一步工作。”

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

事實上，如果該團隊證明了這些數字，它們將代表目前最好的固態氫氣存儲質量分數的瞬間翻倍，根據液化空氣公司的說法，固態氫氣存儲質量分數只能達到2-3%。

不過，將這些重量和體積密度與氣態或液態氫進行比較是很複雜的–有很多因素會影響到這個方程式。例如，每克50升聽起來是一個巨大的數量，但在大氣壓力下，氫氣的密度只有它在罐中壓縮到700 bar時的密度的1/467。因此，每克粉末實際儲存的氫氣量與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來增加它的系統重量，但它可能並不是那麼離譜。

這當然不像是航空業的解決方案，特別是考慮到我們在四月份看到的超輕GTL低溫液體罐，據稱即使將所有輔助設備考慮在內，也能將氫氣的質量分數提高50%以上，使氫燃料客機的飛行距離是目前噴氣燃料飛機的四倍，而燃料成本僅為一半。

但航空是一個對重量特別敏感的運輸類別。粉末封存的氫氣可能會被證明是如此便宜、方便和容易處理，以至於它在長途卡車運輸中成為一個不需要考慮的問題。“我們真的想與一些卡車公司合作，”陳教授說，“因為我們的儲存量遠遠高於目前的最佳結果。我們想與他們合作，看看要使這項技術在車輛中發揮作用可能會有什麼挑戰。在這一點上，我們需要行業支持。”

氮化硼很容易以工業數量獲得，而且相對便宜，但陳說這項技術應該也適用於其他材料。“我們並不局限於氮化硼，”他說，“我們只是把它作為一個例子。你也可以使用石墨烯，作為另一個例子，我們正在繼續研究其他材料。”

顯然，這一進展有一些潛在的巨大影響，這可能對減少能源使用，減少排放，綠色能源轉型，甚至降低燃料和化學品價格做出巨大貢獻。該團隊已經提交了臨時專利申請，我們期待着隨着該方法的完善和針對有用的應用，了解可能的情況。

該研究發表在《今日材料》雜誌上。