【原】Energy Environ. Sci. : 不可思议！烟头竟然是最好的储氢材料

氢气是一种非常具有吸引力的能源，特别是对机动车辆来说。因为它具有较高的能量重量比，并且不会产生二氧化碳排放的问题。燃烧生成的产物主要是水，这对于因化石燃料燃烧排放二氧化碳而产生的温室气体问题，是一种极好的解决方法。相比于核能的巨大风险，氢元素极为丰富，使用时风险和天然气相似，而且不存在燃烧不足产生一氧化碳的问题，而排放是没有毒性的水，可以说是完美的零排放绿色能源。氢气可以用于制造燃料电池。氢燃料电池是一种氧化还原电池，其中氢的化学能通过使用氧化剂（通常是氧）转化为电能。使用氢燃料电池的汽车将以类似于内燃机的方式燃烧氢气。美国能源部（United States Department of Energy，DOE）为氢能动力汽车制定的2020年目标包括能量重量比为1.8kWh kg^-1（5.5wt％ H₂），能量密度为1.3 kWh L-1（0.040 kgL^-1）。使用固态材料被认为是达到所需储氢目标的可行途径。目前正在研究的储氢材料可以大致分为两类，其中一类是通过化学吸附来储存氢气，包括各种金属氢化物。而另一类储氢材料则是使用物理吸附，通常使用具有高表面积的高度多孔材料，如金属有机骨架（metal organic frameworks，MOFs）和共价有机骨架（covalent organic frameworks，COFs）。现在已经研究明确的是，多孔固态材料的储氢能力取决于表面积和微孔的存在。高表面积有利于良好的吸收，而微孔的存在提高了孔隙度，进而提高了表面积。

Hydrochar的元素分析

（来源：Energy Environ.Sci.）

不断寻找新的材料是实现氢能储存目标的关键因素，这些目标使得氢能低廉化经济化成为现实。寻找新的氢气储存材料的目标是具有新的或改进性能的材料，要更容易更便宜地制备，并且是可持续的。改进的性能可以通过基于储氢所需要的知识定制设计而产生，而可持续性可以通过相对于起始材料的增产路线来实现。作为正在寻找的具有优化储氢特性的碳材料的一部分，最近已经发现基于纤维素的前体对于多孔碳材料来说是良好的起始材料。这特别有利于在废料回收利用方面，因为纤维素衍生物（即醋酸纤维素）是香烟过滤嘴的主要成分。这种以香烟烟头形式的废弃香烟过滤嘴目前是一种常见的废物并且对环境有污染的危害。因为醋酸纤维素是不可生物降解的。全世界每年吸食的卷烟数量高达5.8万亿，产生80万吨烟头。香烟过滤器中存在的污染物，特别是有毒重金属会进一步危害，这些污染物会渗入水中，可能会对人类和野生动物造成伤害。因此，很明显，烟蒂是需要解决的环境问题，如果烟蒂不是被丢弃，而是可以制造高价值产品，获得价值增值，那将是非常理想的情况。鉴于它们主要是由醋酸纤维素组成，因此将烟蒂制成多孔材料是个很有潜力的想法。

Hydrochar的热重分析

（来源：Energy Environ.Sci.）

诺丁汉大学的Robert Mokaya和TroyBlankenship正在探索如何将这种危险废物转化为储氢材料。之前已经有人用过将香烟过滤嘴制成多孔碳材料。不过，迄今为止，还没有关于香烟过滤嘴和废烟头制备活性炭的先例。在这项研究中，他们探索从香烟过滤器和丢弃的烟蒂制备活性炭，并评估产生的碳具备的氢吸收能力。这项研究揭示了活化条件和所得活性炭的性质。特别是孔隙度的一些意想不到的情况，以及如何影响氢吸收能力。

Hydrochar的XRD谱图

（来源：Energy Environ. Sci.）

研究团队先收集烟头，用水将其加热到250℃，在高压下会生成一种称为Hydrochar的材料，其中含有纳米级的碳氧球。接下来，他们用800℃的氢氧化钾活化材料，生成可以被分解成二氧化碳的碳酸盐，最后留下高度多孔的材料。

Hydrochar的氢吸收数据

（来源：Energy Environ.Sci.）

香烟过滤嘴和废烟头的水热碳化产生了Hydrochar，当其被激活时产生具有极高表观表面积的富氧（具有氧官能团如COOH，C-OH和C=O）的多孔碳（高达4300m²g-1），大的表面积（高达3867m²g-1），这都是由微孔产生的。活化烟蒂的温度对其孔隙率的影响方面表现出反常行为，即在600℃下达到最高表面积和孔体积，然后在更高温度下活化会降低。这种反常的趋势是由于用来作为起始原料的卷烟中的对苯二酚衍生物中存在大量二价金属。除了添加的KOH以外，金属添加剂（K，Ca，Na，Mg等）本身也起到活化剂的作用。由于高表面积，高微孔性和富含氧的性质的组合效应，所述Hydrochar显示出空前高的8.1wt％的储氢能力。在-196℃和20bar下的9.4wt％总吸收，升高30和40bar时分别为10.4 wt％和11.2wt％。而大多数活性炭储存的氢气含量在4到6wt％之间。这种来自烟头新的材料Hydrochar具备了很高的应用价值。

他们的研究结果提供了关于将主要废物处理升值为具有吸引力的能源材料的新见解，并且得到迄今为止报告的对于任何碳或多孔材料的最高氢吸收材料。研究结果与环境污染问题直接相关，为碳基可持续储能材料的研究提供了一个新的研究方向，同时也提出了一个值得关注的问题，即提价能否解决棘手的烟蒂问题。

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