AbstractInterest in hydrogen fuel i

Abstract
Interest in hydrogen fuel is growing for automotive applications; however, safe, dense, solid-state hydrogen storage remains a formidable scientific challenge. Metal hydrides offer ample storage capacity and do not require cryogens or exceedingly high pressures for operation. However, hydrides have largely been abandoned because of oxidative instability and sluggish kinetics. We report a new, environmentally stable hydrogen storage material constructed of Mg nanocrystals encapsulated by atomically thin and gas-selective reduced graphene oxide (rGO) sheets. This material, protected from oxygen and moisture by the rGO layers, exhibits exceptionally dense hydrogen storage (6.5 wt% and 0.105 kg H2 per litre in the total composite). As rGO is atomically thin, this approach minimizes inactive mass in the composite, while also providing a kinetic enhancement to hydrogen sorption performance. These multilaminates of rGO-Mg are able to deliver exceptionally dense hydrogen storage and provide a material platform for harnessing the attributes of sensitive nanomaterials in demanding environments.

Introduction
The established environmental impacts resulting from fossil fuels have stimulated urgent efforts to decarbonize our fuel sources. Hydrogen is the ultimate carbon-free energy carrier—it possesses the highest energy density among chemical fuels and water is the sole combustion product. Although major car manufacturers have made commitments to hydrogen as a ‘fuel of the future’1, hydrogen storage for FCEVs (fuel cell electric vehicles) currently relies on compressed gas tanks2. These are unable to meet long-term storage targets and severely compromise on-board occupancy. Metal hydrides for solid-state hydrogen storage are one of the few materials capable of providing sufficient storage density required to meet these long-term targets. However, simultaneously meeting gravimetric, volumetric, thermodynamic and kinetic requirements has proven challenging, owing to the strong binding enthalpies for the metal hydride bonds, long diffusion path lengths and oxidative instability of zero-valent metals. Although nanostructuring has been shown to optimize binding enthalpies3, synthesis and oxidative stabilization of metallic nanocrystals remains a challenge4. Protection strategies against oxidization and sintering of nanocrystals often involve embedding these crystals in dense matrices, which add considerable ‘dead’ mass to the composite, in turn decreasing gravimetric and volumetric density. Thus, although metal hydrides show the most promise for non-cryogenic applications, it remains true that no single material has met all of these essential criteria5,6.

Here we demonstrate mixed dimensional reduced graphene oxide (GO)/Mg nanocrystal hybrids as a novel high-performance materials platform for solid-state hydrogen storage. After the first report of the preparation of individual graphene sheets in 2004 (refs 7, 8), its unique optoelectronic properties attracted great attention. GO, formerly considered just a precursor for the synthesis of graphene, has begun to find independent applications in water purification and gas separations due to its hydrophilicity, chemical structure and atomistic pore size diameters9,10. For example, GO membranes have recently been explored as materials for crucial gas separation challenges. Interestingly, these studies have shown extreme permeability for H2 relative to other atmospheric gases such as O2 and N2, thus providing a potential avenue for use as an atomically thin, selective barrier layer for sensitive hydrogen storage materials. Furthermore, related studies have shown that reduction of GO to form reduced GO (rGO) further results in a dramatic decrease in water permeance, while maintaining desirable gas permeability characteristics11. In this study, we have prepared mixed dimensional laminates of two-dimensional (2D) rGO filled with Mg nanocrystals for hydrogen storage applications (Fig. 1a). In this composite, rGO serves as the atomic limit for barrier layer materials in functional composites, providing maximum environmental protection for the least possible amount of inactive mass—theoretically, for single sheet rGO protection, up to 98 wt% of the composite mass can be active Mg—thus, this rGO composite approach yields the greatest performance in selective hydrogen permeability and kinetic enhancement in hydrogen storage. As illustrated in Fig. 1a, rGO sheets function as a protective layer against Mg nanocrystal oxidation by preventing the permeation of O2 and H2O, while still allowing hydrogen to easily penetrate, diffuse along the layers and be released. Moreover, beyond the crucial gas barrier behaviour, we demonstrate that the rGO layers add functionality to the laminates by reducing the activation energies associated with hydrogen absorption and desorption, key kinetically limiting steps for traditional metal hydride systems. Several studies have shown that carbon-

Kết quả (Việt) 1:

Tóm tắtQuan tâm đến nhiên liệu hydro đang phát triển cho các ứng dụng ô tô; Tuy nhiên, an toàn, dày đặc, solid-state hydro lí vẫn là một thách thức ghê gớm của khoa học. Hiđrua kim loại cung cấp dung lượng lưu trữ dư dật và không yêu cầu cryogens hoặc áp suất cực cao cho hoạt động. Tuy nhiên, hiđrua phần lớn đã bị bỏ rơi vì sự mất ổn định oxy hóa và động học chậm chạp. Chúng tôi báo cáo một lí hydro mới, ổn định môi trường vật liệu xây dựng nanocrystals Mg viên nang atomically mỏng và chọn lọc khí giảm graphen ôxít (rGO) tờ. Tài liệu này, được bảo vệ từ oxy và độ ẩm của các lớp rGO, cuộc triển lãm lưu trữ hydro đặc biệt dày đặc (6,5 wt % và 0.105 kg H2 mỗi lít trong tổng hợp). RGO là atomically mỏng, cách tiếp cận này giảm thiểu khối lượng không hoạt động trong hỗn hợp, trong khi cũng cung cấp một nâng cao động lực để hydro sorption hiệu suất. Các multilaminates của rGO-Mg có thể cung cấp lưu trữ hydro đặc biệt dày đặc và cung cấp một nền tảng vật chất cho việc khai thác các thuộc tính của vật liệu nano nhạy cảm trong môi trường đòi hỏi.Giới thiệuCác tác động môi trường được thành lập từ nhiên liệu hóa thạch đã kích thích các nỗ lực khẩn cấp để decarbonize các nguồn nhiên liệu của chúng tôi. Hydro là chiếc tàu sân bay năng lượng cacbon miễn phí cuối cùng — nó có mật độ năng lượng cao nhất trong số các nhiên liệu hóa chất và nước là sản phẩm duy nhất đốt cháy. Mặc dù các nhà sản xuất xe hơi lớn đã thực hiện các cam kết để hydro như là một ' nhiên liệu của tương lai ' 1, hydro lí cho FCEVs (tế bào nhiên liệu xe điện) hiện đang dựa vào khí nén tanks2. Đây là những không thể đáp ứng mục tiêu lưu trữ lâu dài và nghiêm trọng thỏa hiệp on-board suất phòng. Hiđrua kim loại để lưu trữ trạng thái rắn hydro là một trong những vật liệu ít có khả năng cung cấp đủ lí mật độ cần thiết để đáp ứng những mục tiêu dài hạn. Tuy nhiên, đồng thời đáp ứng yêu cầu trọng, thể tích, nhiệt và động lực đã được chứng minh đầy thách thức, do enthalpies ràng buộc mạnh mẽ cho các hiđrua kim loại trái phiếu, phổ biến lâu dài con đường độ dài và sự bất ổn định oxy hóa của zero-c kim loại. Mặc dù nanostructuring đã được hiển thị để tối ưu hóa ràng buộc enthalpies3, tổng hợp và ổn định oxy hóa của kim loại nanocrystals vẫn là một challenge4. Chiến lược bảo vệ chống oxy hóa và máy nanocrystals thường liên quan đến nhúng các tinh thể trong ma trận dày đặc, thêm đáng kể khối lượng 'chết' composite, lần lượt giảm mật độ trọng và thể tích. Vì vậy, mặc dù hiđrua kim loại Hiển thị lời hứa hầu hết cho các ứng dụng không đông, vẫn đúng là không có tài liệu duy nhất đã đáp ứng tất cả điều cần thiết criteria5, 6.Ở đây, chúng tôi chứng minh hỗn hợp chiều giảm graphen ôxít (GO) /Mg nanocrystal lai như là một nền tảng tiểu thuyết hiệu suất cao tài liệu cho lưu trữ trạng thái rắn hydro. Sau khi báo cáo đầu tiên của việc chuẩn bị của graphene từng tờ năm 2004 (refs 7, 8), thuộc tính quang độc đáo của nó đã thu hút sự chú ý rất lớn. ĐI nào, trước đây được coi là chỉ là một tiền chất cho sự tổng hợp của graphene, đã bắt đầu để tìm các ứng dụng độc lập trong nước sạch và khí đốt đứt do hydrophilicity, cấu trúc hóa học và lỗ chân lông atomistic kích thước diameters9, 10. Ví dụ, ĐI màng mới đã được khám phá như là vật liệu rất quan trọng khí tách thách thức. Điều thú vị, các nghiên cứu đã chỉ ra cực thấm cho H2 liên quan đến các loại khí trong khí quyển khác như O2, N2, do đó cung cấp một avenue tiềm năng để sử dụng như một rào cản atomically mỏng, chọn lọc lớp cho nhạy cảm hydro lưu trữ tài liệu. Hơn nữa, liên quan đến nghiên cứu chỉ ra rằng giảm ĐI đến hình thức giảm ĐI (rGO) hơn nữa kết quả trong một giảm đáng kể ở nước permeance, trong khi duy trì hấp dẫn khí thấm characteristics11. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã chuẩn bị hỗn hợp chiều laminates hai chiều (2D) rGO đầy Mg nanocrystals cho các ứng dụng lưu trữ hiđrô (hình 1a). Hỗn hợp này, rGO phục vụ như là hạn barrier lớp vật liệu chức năng vật liệu tổng hợp, cung cấp bảo vệ tối đa môi trường với số tiền ít nhất có thể không hoạt động khối lượng nguyên tử-về lý thuyết, tờ rGO bảo vệ, lên đến 98 wt % khối lượng hỗn hợp có thể hoạt động Mg-vì vậy, cách tiếp cận này rGO tổng hợp mang lại hiệu suất lớn nhất chọn lọc hydro thấm và động lực nâng cao trong lưu trữ hydro. Như minh họa trong hình 1a, rGO tấm chức năng như một lớp bảo vệ chống lại quá trình oxy hóa nanocrystal Mg bằng cách ngăn chặn permeation O2 và H2O, trong khi vẫn cho phép hydro để dễ dàng xâm nhập, khuếch tán dọc theo các lớp và được phát hành. Hơn nữa, ngoài hành vi hàng rào khí rất quan trọng, chúng tôi chứng minh rằng các lớp rGO thêm chức năng cho các laminates bằng cách giảm các nguồn năng lượng kích hoạt gắn liền với sự hấp thụ của hiđrô và desorption, chìa khóa kinetically hạn chế các bước cho hệ thống hiđrua kim loại truyền thống. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng carbon-