Energy Environ.Sci.：不可思議！煙頭竟然是最好的儲氫材料

氫氣是一種非常具有吸引力的能源，特別是對機動車輛來說。因為它具有較高的能量重量比，並且不會產生二氧化碳排放的問題。燃燒生成的產物主要是水，這對於因化石燃料燃燒排放二氧化碳而產生的溫室氣體問題，是一種極好的解決方法。相比於核能的巨大風險，氫元素極為豐富，使用時風險和天然氣相似，而且不存在燃燒不足產生一氧化碳的問題，而排放是沒有毒性的水，可以說是完美的零排放綠色能源。氫氣可以用於製造燃料電池。氫燃料電池是一種氧化還原電池，其中氫的化學能通過使用氧化劑（通常是氧）轉化為電能。使用氫燃料電池的汽車將以類似於內燃機的方式燃燒氫氣。美國能源部（United States Department of Energy，DOE）為氫能動力汽車制定的2020年目標包括能量重量比為1.8kWh kg-1（5.5wt％ H2），能量密度為1.3 kWh L-1（0.040 kgL-1）。使用固態材料被認為是達到所需儲氫目標的可行途徑。目前正在研究的儲氫材料可以大致分為兩類，其中一類是通過化學吸附來儲存氫氣，包括各種金屬氫化物。而另一類儲氫材料則是使用物理吸附，通常使用具有高表面積的高度多孔材料，如金屬有機骨架（metal organic frameworks，MOFs）和共價有機骨架（covalent organic frameworks，COFs）。現在已經研究明確的是，多孔固態材料的儲氫能力取決於表面積和微孔的存在。高表面積有利於良好的吸收，而微孔的存在提高了孔隙度，進而提高了表面積。

Hydrochar的元素分析

（來源：Energy Environ.Sci.）

不斷尋找新的材料是實現氫能儲存目標的關鍵因素，這些目標使得氫能低廉化經濟化成為現實。尋找新的氫氣儲存材料的目標是具有新的或改進性能的材料，要更容易更便宜地製備，並且是可持續的。改進的性能可以通過基於儲氫所需要的知識定製設計而產生，而可持續性可以通過相對於起始材料的增產路線來實現。作為正在尋找的具有優化儲氫特性的碳材料的一部分，最近已經發現基於纖維素的前體對於多孔碳材料來說是良好的起始材料。這特別有利於在廢料回收利用方面，因為纖維素衍生物（即醋酸纖維素）是香煙過濾嘴的主要成分。這種以香煙煙頭形式的廢棄香煙過濾嘴目前是一種常見的廢物並且對環境有污染的危害。因為醋酸纖維素是不可生物降解的。全世界每年吸食的捲煙數量高達5.8萬億，產生80萬噸煙頭。香煙過濾器中存在的污染物，特別是有毒重金屬會進一步危害，這些污染物會滲入水中，可能會對人類和野生動物造成傷害。因此，很明顯，煙蒂是需要解決的環境問題，如果煙蒂不是被丟棄，而是可以製造高價值產品，獲得價值增值，那將是非常理想的情況。鑒於它們主要是由醋酸纖維素組成，因此將煙蒂製成多孔材料是個很有潛力的想法。

Hydrochar的熱重分析

（來源：Energy Environ.Sci.）

諾丁漢大學的Robert Mokaya和TroyBlankenship正在探索如何將這種危險廢物轉化為儲氫材料。之前已經有人用過將香煙過濾嘴製成多孔碳材料。不過，迄今為止，還沒有關於香煙過濾嘴和廢煙頭製備活性炭的先例。在這項研究中，他們探索從香煙過濾器和丟棄的煙蒂製備活性炭，並評估產生的碳具備的氫吸收能力。這項研究揭示了活化條件和所得活性炭的性質。特別是孔隙度的一些意想不到的情況，以及如何影響氫吸收能力。

Hydrochar的XRD譜圖

（來源：Energy Environ. Sci.）

研究團隊先收集煙頭，用水將其加熱到250℃，在高壓下會生成一種稱為Hydrochar的材料，其中含有納米級的碳氧球。接下來，他們用800℃的氫氧化鉀活化材料，生成可以被分解成二氧化碳的碳酸鹽，最後留下高度多孔的材料。

Hydrochar的氫吸收數據

（來源：Energy Environ.Sci.）

香煙過濾嘴和廢煙頭的水熱碳化產生了Hydrochar，當其被激活時產生具有極高表觀表面積的富氧（具有氧官能團如COOH，C-OH和C=O）的多孔碳（高達4300m2g-1），大的表面積（高達3867m2g-1），這都是由微孔產生的。活化煙蒂的溫度對其孔隙率的影響方面表現出反常行為，即在600℃下達到最高表面積和孔體積，然後在更高溫度下活化會降低。這種反常的趨勢是由於用來作為起始原料的捲煙中的對苯二酚衍生物中存在大量二價金屬。除了添加的KOH以外，金屬添加劑（K，Ca，Na，Mg等）本身也起到活化劑的作用。由於高表面積，高微孔性和富含氧的性質的組合效應，所述Hydrochar顯示出空前高的8.1wt％的儲氫能力。在-196℃和20bar下的9.4wt％總吸收，升高30和40bar時分別為10.4 wt％和11.2wt％。而大多數活性炭儲存的氫氣含量在4到6wt％之間。這種來自煙頭新的材料Hydrochar具備了很高的應用價值。

他們的研究結果提供了關於將主要廢物處理升值為具有吸引力的能源材料的新見解，並且得到迄今為止報告的對於任何碳或多孔材料的最高氫吸收材料。研究結果與環境污染問題直接相關，為碳基可持續儲能材料的研究提供了一個新的研究方向，同時也提出了一個值得關注的問題，即提價能否解決棘手的煙蒂問題。

通訊作者簡介：

http://www.nottingham.ac.uk/Chemistry/People/r.mokaya

論文鏈接：

http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2017/EE/c7ee02616a#!divAbstract

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