石墨烯的应用(石墨烯在氢能电池中的应用)
作为已知最清洁的能源之一，氢气正受到全世界越来越多的关注 。在中国，氢能的发展非常迅速 。据中国电池协会统计，2019年1-7月，氢燃料电池装机量同比激增6倍以上，增速远超其他国家和地区 。中国各地政府纷纷出台相关政策，加大对氢能源汽车产业发展的支持力度 。
氢燃料电池作为氢能汽车的核心系统，早在20世纪60、70年代就已经在航空空和军工领域得到应用 。后来由于技术不成熟等原因，氢燃料电池大规模应用之路暂时中断 。与纯电动汽车相比，氢燃料电池汽车具有加氢时间短、续航里程长的优点 。统计显示，城市物流车辆在加氢站加6 ~ 7公斤氢气平均需要5分钟 。丰田最新款Mirai未来组合的续航里程为644公里 。2019年6月发布的《中国氢能与燃料电池产业白皮书》认为，未来氢能将广泛应用于交通、工业等领域 。石墨烯作为强度最高、导电性最好、比表面积最大、韧性最好、重量最轻、透光率最高的材料，被称为“黑金”、“新材料之王” 。在氢燃料电池领域，石墨烯因其独特的性能也得到了极大的应用和发展 。
1.氢燃料电池简介
氢电池是将氢和氧的化学能直接转化为电能的发电装置 。氢燃料电池在性能和环保方面优势突出，已经达到产业化标准 。在政策的支持下，市场广阔空 。在环保方面，氢燃料电池具有零排放、零污染的特点，有望掀起新一轮能源革命 。
图1是氢燃料电池的结构示意图 。燃料电池的简单工作原理是:将氢气送到燃料电池的阳极(阴极)表面，氢气在催化剂的催化下分解成氢离子和电子 。氢离子(质子H+)通过质子交换膜(PEM)到达燃料电池的阴极(阳极)，但电子不能直接通过质子交换膜，只能通过外电路到达燃料电池的阴极，从而产生电路电流 。电子到达燃料电池的阴极板后，与氧和氢离子反应生成水 。
图1氢燃料电池结构示意图
氢燃料电池的燃料是氢和氧，产物只有水 。氢燃料电池不产生一氧化碳、二氧化碳和其他污染物，如硫和颗粒物 。因此，氢燃料电池汽车是真正意义上的零排放、零污染的电动汽车，氢将是最完美的汽车能源燃料！
石墨烯2在氢燃料电池中的应用
2.1石墨烯催化剂
由质子交换膜、催化剂和气体扩散层组成的膜电极组件(MEA)是燃料电池堆的“心脏”(图2) 。
图2氢能源电池中的膜电极组件
催化剂决定了氢燃料电池的放电性能和寿命 。铂是燃料电池最常用的催化剂之一，因为它可以有效地实现技术中心的氧化还原反应 。然而，它的高成本刺激了研究工作，以找到一种可以在保持相同催化活性的同时使用更少量的方法，科学家们几十年来一直在寻找合适的替代品 。丰田通过优化铂与钴合金的比例，将Mirai未来组合烟囱的铂负荷降低至约0.17克/千瓦 。由于使用了氮原子层技术，本田Clarity的堆栈铂负载低至0.12 g/kW 。但铂催化剂存在活性不足、耐久性差、易中毒等问题 。因此，迫切需要开发一种新型廉价的催化剂 。石墨烯因其高导电性、大比表面积和优异的化学稳定性成为氢燃料电池催化剂的研究热点 。通过掺杂后在其表面添加催化位点，石墨烯可以用作无金属催化剂 。石墨烯经过表面修饰后，可以增加负载金属纳米粒子的锚点，是非铂基金属催化剂的良好载体 。
日本东北大学研究员Ryuichi Ito的研究小组成功利用石墨烯作为替代铂催化剂 。伊藤良治首先用石墨烯制作出具有三维结构的石墨烯，然后用气相沉积(CVD)法在石墨烯的三维结构上镀上氮和硫 。实验结果表明，石墨烯表面镀上的氮和硫越多，氢气的催化效率越高，可以高效产氢 。在此研究基础上发现，如果在石墨烯催化剂表面负载镍纳米粒子，其催化制氢效率完全可以超越传统的铂催化剂 。该技术的工业化生产和市场化可以大大降低氢燃料电池的成本 。
英国莱斯大学教授詹姆斯·罗伯茨(James roberts)通过将钌纳米粒子附着在石墨烯表面，制成了一种高效耐用的氢燃料电池催化剂 。实验结果表明，钌-石墨烯催化剂的催化性能与传统铂基合金相当 。
2.2石墨烯气体扩散层
气体扩散层是支撑催化剂层和收集电流的重要结构，也为氢燃料电池电极反应提供气体、质子、电子和水等多种通道 。它实现了氢气和产物水在流场和催化剂层之间的再分配，是影响氢燃料电池电极性能的关键部件之一 。气体扩散层由基层和微孔层组成，基层主要由多孔碳纸或碳纤维布制成，微孔层由导电炭黑和防水剂制成 。
理想的氢燃料电池气体扩散层应满足三个条件:排水顺畅、透气性优异、导电性良好 。在已发现的材料中，石墨烯导电性最好，易卷曲缠绕，表面易氧化改性，可作为优良的扩散层添加剂 。
英国诺森比亚大学Terence (Xiao Xiang) Liu博士研究组和浙江大学教授研究组合作 。利用石墨烯气凝胶良好的导电性、优异的力学性能、高催化剂负载性能和超轻的重量，用石墨烯气凝胶替代传统燃料电池中的电极板和气体扩散层，大大减轻了燃料电池的质量，使燃料电池的质量功率密度提高了3倍 。
2.3石墨烯双极板
双极板是氢能电池的核心部件之一 。它的主要作用是通过表面流场输送气体，收集和传导反应产生的电流、热量和水 。根据材料类型不同，其质量约占电池堆的60% ~ 80%，成本占20% ~ 30% 。根据双极板的功能要求，要求双极板在导电性、气密性、机械性能、耐腐蚀性等方面有较高的要求 。
目前双极板可分为石墨双极板和金属双极板 。石墨双极板具有良好的导电性、导热性、稳定性和耐腐蚀性，但其机械性能相对较差，易碎且难以加工，导致成本较高，困扰着国内厂商 。在石墨双极板中添加少量石墨烯可以提高其导电性和导热性 。石墨烯容易形成空网络结构，可以进一步提高石墨双极板的耐腐蚀性能和力学性能 。因此，石墨烯可以作为一种优良的添加剂添加到石墨双极板中 。
与石墨板不同，金属双极板具有高导电性、高导热性、高机械性能、高气阻、合金成分选择广泛、便于大规模高效生产等优点 。但金属双极板有易腐蚀的缺点，需要在表面添加改性涂层进行保护 。澳大利亚莫纳什大学的研究人员为解决质子交换膜燃料电池中金属双极板的表面腐蚀问题进行了一系列的实验和尝试 。
采用化学气相沉积法在镍合金金属双极板表面沉积多层石墨烯，然后在模拟氢燃料电池环境下长时间测试其电化学性能 。实验结果表明，石墨烯涂层不仅保证了模拟氢燃料电池环境中的基本标准性能(如高导电性)，而且具有优异的耐腐蚀性能，大大提高了双极板的使用寿命 。
【石墨烯在氢能源电池领域的应用 石墨烯的应用】德国亚琛工业大学塑料加工研究所利用石墨烯填充聚丙烯复合材料制备了一种新型燃料电池双极板，并对其进行了一系列研究 。制备过程:第一步，将聚丙烯和弹性体复合形成复合材料；第二步，在复合材料中加入导电性能优异的石墨烯粉末 。在实验过程中，需要保持复合材料的电导率和石墨烯的加入量在较低的水平 。实验结果表明，与目前常用的双极板材料相比，该复合材料有助于延长燃料电池的使用寿命，有效降低废品率，大幅提高双极板的综合性能 。
2.4石墨烯质子交换膜
在氢燃料电池中，理想的质子交换膜(PEM)将充满氢气的空腔与充满氧气的燃烧室完全隔开，只允许质子通过 。目前常用的氢燃料电池的质子交换膜隔离性能不够好，会使氢燃料与氧化剂部分混合，从而损害氢燃料电池的电化学性能 。据英国曼彻斯特大学的海姆教授称，石墨烯和六方氮化硼(hBN)薄膜可以将上述化学交叉降低几个数量级 。根据一个国际研究小组的研究，石墨烯片的质子电导率远高于预期，可能从根本上增强氢燃料电池的性能 。
3结论
石墨烯在氢能领域有着巨大的应用潜力 。可用于降低制氢成本，优化氢燃料电池的质子交换膜、双极板、催化剂等核心部件的性能，加速燃料电池的产业化 。“石墨烯+氢能”未来前景可期 。相信随着科学技术的进步和石墨烯制备及应用技术的提高，石墨烯在氢能燃料电池中的应用前景将会更加广阔 。
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