用于甲烷和氢气超高储存的 3D 石墨烯

3D graphene for ultra-high methane and hydrogen storage

用于甲烷和氢气超高储存的 3D 石墨烯

文章来源：https://doi.org/10.1016/j.nxmate.2024.100438

本研究利用大正则蒙特卡洛 （GCMC） 分子模拟方法探讨了三维 （3D） 石墨烯材料在超高甲烷和氢气储存方面的巨大潜力。通过用硼和镍原子取代碳原子合成的 3D 氮化硼 （BN） 石墨烯材料表现出优异的吸附能力。在 298 K 时，两种 BN 材料对甲烷的重量吸附能力分别达到 1.134 g/g 和 0.82 g/g，在 30 MPa 时，明显超过了 DOE 的 0.5 g/g 目标。值得注意的是，对于氢气，在 77 K 和超过 1 MPa 的压力下，重量吸附容量超过 5.5 wt%，在 30 MPa 时达到令人印象深刻的 27 wt%，几乎是美国能源部储氢目标的五倍。尽管与金属有机框架 （MOF） 相比，体积吸附能力较低，但 3D 石墨烯材料的重量吸附性能使其成为下一代储能解决方案的有力竞争者。GCMC 模拟证实了 3D 石墨烯材料作为高效甲烷和氢储存的非常有前途的吸附剂的重要性。

图 1 三维石墨烯的晶胞结构（a-b）材料 1， （c-d） 材料 2， （e-f） 材料 3.（a，c，e） 表示原始的三维石墨碳材料，（b，d，f） 表示在三维石墨碳材料的结构上将碳原子与 B 和 N 原子交替后得到的结构，然后使用 UFF 进行几何优化

图 2 CH4 在三维石墨烯中 298K 的吸附等温线，（a） 和 （b） 分别是重量和体积吸收，实线和虚线分别表示 BN 和碳石墨烯，水平虚线代表 DOE 的重量吸附目标 0.5g/g 和体积吸附目标 330cm3/cm3

图 3 CH4 在三维碳（空心）和 BN（固体）石墨烯中 298K 的等位热，（a）、（b） 和 （c） 分别表示总吸附热、流体-流体和流体-壁相互作用的吸附热的贡献

图 4 H2 在 298 K 下三维石墨烯中的吸附等温线，实线和虚线分别表示 BN 和碳石墨烯。水平虚线代表 DOE 的 5.5 wt% 重量吸附目标

图 5 H2 在三维碳（空心）和 BN（固体）石墨烯中在 298 K 时的等位热。（a）、（b） 和 （c） 分别表示总吸附热、流体-流体和流体-壁相互作用的吸附热的贡献

图 6 H2 在 77 K 的三维石墨烯中的吸附等温线，实线和虚线分别表示 BN 和碳石墨烯。水平虚线表示 DOE 的重量吸附目标为 5.5 wt%，体积吸附目标为 0.04 g/L

图 7 H2 在三维碳（空心）和 BN（固体）石墨烯中在 77 K 下的等位热，（a）、（b） 和 （c） 分别表示总吸附热、流体-流体和流体-壁相互作用的吸附热的贡献

图 8 H2 在 77K 和 30MPa 下三维碳（左）和 BN（右）石墨烯中的吸附

结论

本研究深入探讨了 3D 石墨烯材料在甲烷和氢气储存中的应用潜力。通过比较原始碳材料和 BN 取代材料的吸附等温线和吸附热，我们观察到 BN 材料在重量吸附能力上优于原始碳材料，尤其是在高压条件下。分子构型进一步证实了 BN 材料具有更强的吸附能力和更高的分子密度。与 MOF 材料相比，3D石墨烯材料表现出具有竞争力的重量吸附能力，尽管它们在体积吸附能力方面存在不足。我们的研究对用于甲烷和氢储存的 3D 石墨烯材料领域进行了开创性的探索。与传统的 2D 材料不同，我们的 3D 石墨烯，尤其是 BN 取代的变体表现出卓越的吸附能力，超越了现有的基准。我们的研究结果表明，将 BN 原子掺入石墨烯晶格可以提高存储性能，这一发现使我们的工作与目前的文献不同。这种创新方法不仅扩大了储气罐应用中材料设计的视野，还为未来的实验验证和优化铺平了道路。综上所述，考虑到我们的理论结果所表明的优异的吸附性能，3D 石墨烯材料显示出未来甲烷和储氢应用的潜力。然而，必须认识到这些结果有待经验确认。未来的工作将侧重于实验验证和进一步优化这些材料的性能，以确保将这些理论见解转化为实际的存储解决方案。

信息来源：储氢材料