生物质衍生激光诱导石墨烯储氢性能的初步探究

《International Journal of Hydrogen Energy》：A preliminary exploration of hydrogen storage performance of biomass-derived laser-induced graphene

　　

氢气因能量密度高、来源广泛且燃烧清洁，被视为极具潜力的绿色能源，但其存储仍是重大挑战。本研究采用CO2激光将活性炭转化为激光诱导石墨烯（Laser-Induced Graphene, LIG）。其中LIG-3.2 W样品凭借丰富的微孔结构与高度石墨化特征，表现出最优储氢性能：在77 K、50 bar条件下，其超额储氢容量达2.65 wt%，绝对储氢容量为3.45 wt%。在硼掺杂LIG体系中，AC-B-10-LIG样品因富含微孔结构且BC3键含量高，储氢性能最佳。在钴改性LIG中，尽管AC-Co-15-LIG的孔结构欠佳，但仍表现出相对最优的储氢性能。该研究表明，以活性炭为前驱体的LIG是一种极具潜力且成本低廉的储氢材料。

该研究针对氢能作为21世纪“终极能源”的战略需求展开，美国能源部（DOE）明确提出轻型燃料电池车载储氢系统的重量储氢密度需达到5.5 wt%（含材料、装置及附件），而传统高压气态与低温液态储氢存在能耗高、效率低、成本高等瓶颈。固体吸附储氢依托范德华力实现可逆吸脱附，热力学特性优异，其中碳基材料因原料来源广、可逆性强、稳定性高、吸脱附速率快等优势成为研究热点。生物质衍生活性炭兼具低成本、大微孔体积、孔径可调及表面化学性质可修饰等特点，是极具竞争力的储氢候选材料。激光诱导石墨烯（LIG）技术自2014年由Tour团队开发以来，已在电容器与传感器领域趋于成熟，但尚未见将其用于储氢改性与功能化的报道。为此，研究人员以玉米芯为生物质前驱体制备活性炭，通过CO₂激光诱导构建活性炭基LIG，并引入硼、钴掺杂调控微观结构与化学键，系统探究其储氢性能，相关成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》。

研究人员主要采用三项关键技术方法：一是生物质活性炭制备技术，以江苏宿迁2022年产玉米芯为原料，经105℃真空干燥、粉碎后，在氮气氛围下500℃碳化2小时获得碳化料；二是激光诱导石墨烯制备技术，采用CO₂激光在惰性气体氛围下对活性炭进行辐照，同步制备硼掺杂（以硼酸为掺杂源）与钴改性（以硝酸钴为改性源）LIG样品；三是多尺度表征与性能测试技术，通过BET比表面积测试、拉曼光谱、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）解析材料微观结构，并在77 K、50 bar条件下测试高压储氢性能。

研究结果如下：

活性炭形貌分析：KOH活化是调控碳材料孔道结构的有效策略。随着碱碳质量比变化，碳化玉米芯（BC）与不同活化条件所得活性炭（AC-1、AC-2、AC-3）的微观结构呈现显著差异，表明活化参数与孔隙发育高度相关。

结论：以碱碳质量比3:1制备的AC-3活性炭经激光诱导后，LIG-3.2 W样品因微孔结构丰富且石墨化程度高，在77 K、50 bar下超额储氢容量达2.65 wt%，绝对储氢容量达3.45 wt%。硼掺杂LIG中，AC-B-10-LIG因微孔发达且BC₃键含量最高，储氢性能最优；钴改性LIG中，AC-Co-15-LIG虽孔结构较差，但仍表现出相对最佳的储氢性能。研究表明，生物质活性炭基LIG是一种低成本、高性能的固态储氢材料，为实现DOE车载储氢目标提供了新的材料路径。

作者贡献声明：Xuepeng Zhu负责论文撰写、数据验证与分析；Jiawei Xiong参与论文撰写与资源协调；Haohan Li负责数据分析；Ye Chen提供项目资源与行政管理支持；Zhengwei Nie统筹研究设计、经费获取与论文指导。

利益声明：所有作者均声明不存在可能影响研究客观性的竞争性财务利益或个人关系。

致谢：本研究得到国家自然科学基金（52206257）资助。