英国萨里大学可持续能源和计算化学领域专家马可·萨基领导的团队日前研发了一种拥有“边缘装饰”的纳米碳（Nano Carbon），可充当新型制氢无金属催化剂，从而将甲烷转化为氢。这一研究成果不仅实现了具有经济效益的甲烷制氢和储氢方式，还促进了具有成本效益和可持续的制氢技术突破。

　　氢气生产目前主要依赖化石燃料和金属催化剂，虽然基于可再生能源电解水的“绿氢”颇受追捧，但从成本效益而言，其仍然远低于上述两种方式。基于化石燃料的制氢过程会产生碳排放，金属催化剂的开采和制造也属于能源密集型，同样会给环境带来负面影响，因此开发可持续的制氢方法和催化剂材料对于充分发挥氢作为清洁能源的潜力至关重要。

　　◆氢气生产催化剂最大挑战迎突破

　　萨基团队结合量子化学、热力学和化学动力学，最终确定了最有效的“边缘装饰”——氮。据了解，这种氮掺杂纳米碳，极大提高了甲烷活化的性能，在高温下表现出了最高水平的产氢性能。

　　“氢气生产催化剂的最大挑战之一是可能会被碳污染。”萨基表示，“但是研究发现，氮和磷掺杂的纳米碳可在很大程度上解决这个问题，这意味着我们向可持续制氢迈进了一大步。”

　　美国工程技术-材料科学类期刊《应用材料与界面》指出，萨基团队的研究成果，使得石墨烯和其他纳米碳作为基底制氢技术取得了巨大进展。事实上，纳米碳起到的纳米效应让其自身具备了非常特殊的理化性质，所以，作为一种新型材料被普遍使用在新能源、生态修复等多个领域。

　　萨基团队负责材料科学模拟的研究员沙维尔表示：“我们的研究结果表明，使用了‘边缘装饰’的纳米碳作为催化剂可能会改变氢工业的游戏规则，为传统金属催化剂提供一种具有成本效益和可持续的替代品。与此同时，这个过程还可以去除导致全球变暖的温室气体甲烷。”

　　◆纳米碳储氢受追捧

　　“谈到储氢，甲烷不失为一个很好的选择。”萨基坦言，“甲烷作为强效温室气体，对全球气候变暖带来影响，但同时也是一种巨大的‘能量储备’，可比其他碳氢化合物产生更多的热量和光能。”

　　一直以来，实现高质量储氢密度储存是氢能商业化应用的主要技术瓶颈之一，碳纳米在储氢材料、锂离子电池材料等方面备受关注。

　　据了解，碳纳米材料作为催化剂或催化剂载体在选择加氢、氧化脱氢、加氢脱卤/脱氮/脱硫、燃料电池等诸多反应中具有很好的催化性能，在无形中推动了新型碳纳米材料在能源领域更好发挥作用。

　　近年来，比较热门的碳纳米管、碳纳米线等都是新型碳纳米材料，其中碳纳米管由于其管道结构及多壁碳管之间的类石墨层空隙，使其成为颇具潜力的储氢材料。

　　有研究指出，单壁碳纳米管的储氢密度可达5-10 wt%（每100克吸附材料含有5至10克氢），而一辆普通5人座氢动力汽车的储氢罐的存储密度约为6.5wt%。

　　锂离子电池的研发也始终围绕高能量密度展开，因此要求材料具有高可逆容量。碳纳米管的层间距略大于石墨的层间距，充放电容量大于石墨，而且碳纳米管的筒状结构在多次充放电循环后不会塌陷，循环性好。研究发现，以碳纳米管为负极材料做成的锂电池，其首次放电容量高达1600毫安时/克，可逆容量为700毫安时/克，远大于372毫安时/克的石墨理论可逆容量。

　　◆商业化压力如影随形

　　碳元素是自然界中存在的最重要元素之一，以碳为基础的纳米材料多种多样，这些材料不仅极大丰富了碳材料家族，而且凭借自身奇特的结构、良好的物理和化学稳定性、特殊电子性质、表面性质、吸附特性、限域效应以及对金属催化剂的分散性等特点，在能源等多个领域拥有潜在应用前景。

　　不过，纳米碳材料产业在即将迎来重大历史机遇的同时，也面临着巨大的挑战。一方面，该产业面临着成本效益和商业化压力。对此，市场鼓励打造纳米碳材料领域产学研结合模式，科研团队和能源企业需要进行有针对性的合作，通过全过程利益捆绑，实现从基础研究到产业化落地的无缝衔接。

　　另一方面，纳米碳材料行业面临着标准缺失的挑战。对此，中国科学院相关研究人员指出，应该加快纳米碳材料标准体系建设，建立行业准入标准，从产业布局、生产工艺与装备、环境保护、质量管理等方面加以规范，使纳米碳材料的应用及其产品有标准可依、有规范可循。同时，加强国际交流合作，积极参与国际标准制定，确保我国纳米碳材料标准体系及时与国际接轨。