一、发展背景
随着全球经济的快速发展和人类对能源需求的持续增长，寻找高效、清洁、可再生的能源成为当今社会亟待解决的问题。氢气作为一种理想的清洁能源，具有高燃烧效率、零排放等优点，被认为是未来能源发展的主要方向。然而，氢气的储存和运输技术仍面临着诸多挑战，如储氢密度低、安全性差等。为了解决这些问题，科学家们开始研究新型的储氢材料，其中石墨烯材料因其独特的结构和优异的性能而备受关注。
Pt/STL电极上吸附氢原子“溢流-表面扩散-化学吸附”的表面电化学
二、石墨烯材料的优异性质
2.1石墨烯的结构特征
石墨烯内部碳原子的排列方式与石墨单原子层一样以sp2杂化轨道成键，其特点：碳原子有4个价电子，其中3个电子生成sp?键，即每个碳原子都贡献一个位于pz轨道上的未成键电子，近邻原子的pz轨道与平面成垂直方向可形成п键，新形成的п键呈半填满状态。研究证实，石墨烯中碳原子的配位数为3，每两个相邻碳原子间的键长为1.42×10-10米，键与键之间的夹角为120°。除了σ键与其他碳原子链接成六角环的蜂窝式层状结构外，每个碳原子的垂直于层平面的pz轨道可以形成贯穿全层的多原子的大п键（与苯环类似），因而具有优良的导电和光学性能。
石墨烯的二维结构使其具有很大的比表面积和孔隙体积，这为其作为储氢材料提供了潜在的优势。相比于传统的储氢材料，石墨烯具有较高的吸附能和吸附动力学性能，能够有效地吸附和解吸氢气。石墨烯的二维结构还能够提供更多的活性位点，有利于氢气的吸附和反应。
石墨烯分子结构图
2.2石墨烯的力学强度与热性能
石墨烯是已知强度最高的材料之一，同时还具有很好的韧性，可以弯曲，石墨烯的理论杨氏模量达1.0TPa，固有的拉伸强度为130GPa。利用氢等离子改性的还原石墨烯有非常好的强度，平均模量可达0.25TPa。如石墨烯薄片组成的石墨纸有很多的孔，石墨纸显得很脆，经氧化得到功能化石墨烯，再由功能化石墨烯做成石墨纸则会异常坚固强韧。
石墨烯有非常好的热传导性能。纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300W/mK，是为止导热系数最高的碳材料，高于单壁碳纳米管（3500W/mK）和多壁碳纳米管（3000W/mK）。作为载体时，导热系数也可达600W/mK。此外，石墨烯的弹道热导率可以使单位圆周和长度的碳纳米管的弹道热导率的下限下移。
2.3石墨烯的电子效应
石墨烯在室温下的载流子迁移率约为15000cm2/（V·s），这一数值超过了硅材料的10倍，是已知载流子迁移率最高的物质锑化铟（InSb）的两倍以上。在某些特定条件下（如低温），石墨烯的载流子迁移率甚至可高达250000cm2/（V·s）。与很多材料不一样，石墨烯的电子迁移率受温度变化的影响较小，50～500K之间的任何温度下，单层石墨烯的电子迁移率都在15000cm2/（V·s）左右。
三、 石墨烯材料储氢的研究进展
3.1 石墨烯薄膜制备及其储氢性能研究
近年来，科学家们致力研究各种制备石墨烯薄膜的方法，如化学气相沉积（CVD）、液相剥离法和电化学法等。这些方法不仅在实验室尺度上取得了成功，也在工业化生产中展示了应用潜力。为了提高石墨烯薄膜的制备效率和降低成本，研究人员正在探索各种可能的途径，如优化制备工艺、采用不同原料和开发新型设备等。
?中国科学院力学研究所的彭庆研究员团队通过CVD法成功制备出大面积、连续的石墨烯薄膜，并研究了其储氢性能。实验结果表明，该石墨烯薄膜具有较高的储氢容量和良好的循环性能。
?韩国基础科学研究所（IBS）的研究团队研发出了单晶大面积无褶皱无吸附层单层石墨烯。以自制的铜镍箔作为基底，在1000K和1030K的温度下，通过化学气相沉积法（CVD），使用乙烯与氢气的混合物作为生长石墨烯的反应气体，成功地获得了大面积、无褶皱、无吸附层的单晶石墨烯薄膜。
?武汉理工大学何大平教授团队在宏观石墨烯膜的研究上的工作，创新性地提出了二维纳米片静电排斥对齐策略，有效实现了高质量宏观石墨烯膜的制备。这种方法的优点在于其操作简便、可控制性强，且适用于大规模生产。通过调整制备过程中的参数（如基底材料、分散液浓度、湿度和温度等），可以实现对石墨烯膜的结构和性能的精确调控。
3.2 石墨烯基复合材料的设计与储氢性能研究
为了进一步提高石墨烯的储氢性能，研究者们开始关注石墨烯基复合材料的设计与制备。这类复合材料通过将石墨烯与其他材料进行复合，以实现优势互补，提高储氢容量和降低能耗。
西安交通大学教授成永红团队开发的石墨烯界面纳米阀技术，是一种具有重要应用前景和创新价值的新技术。该技术通过在金属氢化物微米级别颗粒的表面均匀包覆上石墨烯，以实现安全、可控和稳定氢气的释放。这种包覆技术使得金属氢化物在储存时变得更加稳定，同时能够抑制氢气的快速释放。在需要释放氢气时，通过控制石墨烯界面的结构，可以调节氢气通过石墨烯阀的速度，从而实现氢气的缓慢而稳定地释放。这种控制方式不仅可以提高氢气释放的稳定性，还可以通过调整石墨烯界面的结构，实现对氢气释放速度的精确调控。
此外，研究者们还在探索通过调控石墨烯基复合材料的组成和结构来优化其储氢性能。例如，通过调整石墨烯与金属或非金属元素的含量比例、控制复合材料的微观结构等手段，可以进一步改善石墨烯基复合材料的储氢能力。
金属氢化物石墨烯复合储氢材料
四、 石墨烯材料储氢的问题与挑战
4.1 如何提高石墨烯材料的储氢容量
提高石墨烯材料的储氢容量是当前研究的重要方向。尽管石墨烯具有较大的比表面积和丰富的孔隙结构，但仍然需要进一步优化其结构以实现更高的储氢容量。一种可行的方法是通过控制石墨烯的层数和孔径大小，使其具有更优的吸附性能。此外，通过掺杂其他元素，也可以提高石墨烯的储氢性能。
4.2 如何降低石墨烯材料储氢的成本
降低石墨烯材料储氢的成本也是当前研究的重点。尽管石墨烯具有许多优良的性能，但其制造成本仍然较高，限制了其广泛应用。因此，未来的研究需要寻找新的制备方法和技术，以降低石墨烯的制造成本。
4.3 如何确保氢气释放过程的安全性
确保氢气释放过程的安全性是储氢技术必须解决的重要问题。由于氢气具有易燃易爆的特性，因此在释放过程中必须采取有效的安全措施。一种可行的方法是通过优化石墨烯材料的结构和性能，使其具有更好的化学稳定性和热导率，从而降低氢气释放过程中的风险。此外，还可以通过开发新型的石墨烯基复合材料，提高氢气的吸附和释放速度，同时保证其安全性能。
五、未来展望
石墨烯储氢技术以其独特的优势和巨大的潜力，成为未来能源储存领域的重要研究方向，其的商业化应用前景广阔，将为新能源汽车、能源存储等领域提供可持续的解决方案。
未来石墨烯储氢技术的发展方向主要包括以下几个方面：
大规模制备：一是使用化学气相沉积（CVD）技术进行大规模制备，通过优化反应条件，如温度、压力、气体流量等，提高石墨烯的生长速度和质量。二是发展石墨烯的合成方法，如液相法、气相法等，通过控制反应条件，合成出高质量、大面积的石墨烯。三是结合计算机模拟技术，预测和优化制备过程中的关键参数。
性能提升：通过材料设计，优化石墨烯的微观结构和表面性质，提高其储氢容量和循环寿命。通过制备工艺的优化，如控制加热速度、保温时间、冷却速率等，提高石墨烯的吸放氢速率。
系统集成：将石墨烯储氢材料与其他功能材料（如燃料电池、锂离子电池等）相结合，开发出高效、安全、便携的储氢系统。
新材料研发：探索新的石墨烯基储氢材料，如掺杂石墨烯、石墨烯纳米带等。结合计算材料学和人工智能技术，预测和设计新的储氢材料。例如，可以利用量子化学计算方法预测材料的吸放氢反应机理和性能，并结合机器学习算法优化材料的成分和制备工艺。
