北京
了解釩的結(jié)構(gòu)如何影響儲氫，有助于設(shè)計(jì)讓氫表現(xiàn)出量子行為的新材料。
東京大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究所（IIS）的科學(xué)家揭示了晶體對稱性在氫的量子行為中所起的作用。這一發(fā)現(xiàn)將有助于設(shè)計(jì)新一代材料，從而塑造以氫為載體的清潔能源技術(shù)的下一階段。
隨著世界逐步擺脫化石燃料，風(fēng)能和太陽能等可再生能源技術(shù)不斷發(fā)展。盡管各國在這些領(lǐng)域投入巨大，但仍有許多場合無法部署此類間歇性能源。風(fēng)能和太陽能產(chǎn)生的電力非常適合維持電網(wǎng)運(yùn)行和日常家庭用電，但重工業(yè)應(yīng)用則需要替代能源。
氫被視作這些問題的答案，因?yàn)樗梢韵窕剂弦粯尤紵a(chǎn)生大量能量，卻不排放任何碳。然而，氫作為一種高度易燃的燃料，在儲存和運(yùn)輸過程中也存在安全風(fēng)險(xiǎn)。要讓氫取代化石燃料，用于乘用車的日常行駛甚至大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，就必須以極其安全的方式儲存和運(yùn)輸。
釩的作用
多年來，科學(xué)家已確定釩是一種很有前景的安全儲氫候選材料。以固態(tài)合金形式使用時(shí)，釩極易吸收氫。據(jù)估計(jì)，這種金屬最多可以儲存相當(dāng)于自身重量3.8%的氫。
這是因?yàn)闅浞肿樱℉?）在固態(tài)合金內(nèi)部解離，并滑入合金晶格結(jié)構(gòu)中的空隙位置。釩的儲氫能力非常強(qiáng)，科學(xué)家甚至建議將鐵、鈦和鉻等其他金屬與釩合金混合，以便在需要時(shí)能夠回收所儲存的氫。
盡管人們對釩的了解已相當(dāng)深入，但科學(xué)家一直未能解釋氫在釩中所表現(xiàn)出的多變行為。通過將氫的結(jié)構(gòu)與擴(kuò)散測量結(jié)果同釩晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)的量子力學(xué)計(jì)算相結(jié)合，IIS的研究人員發(fā)現(xiàn)了釩的晶格結(jié)構(gòu)如何控制氫在其中的行為。
研究人員的發(fā)現(xiàn)
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，氫原子在晶格內(nèi)的間隙位置之間跳躍。有時(shí)，它們表現(xiàn)得像一個(gè)經(jīng)典粒子，需要克服相鄰位置之間的能量勢壘。有時(shí)，這些原子則走“量子捷徑”，以類似波的方式在位置之間隧穿。
“我們的結(jié)果表明，晶體對稱性是控制氫的量子行為的關(guān)鍵，”參與此項(xiàng)工作的IIS研究助理小澤孝弘解釋道，“高度對稱的結(jié)構(gòu)允許氫發(fā)生隧穿，而畸變結(jié)構(gòu)則會抑制這種效應(yīng)。”
據(jù)研究團(tuán)隊(duì)介紹，當(dāng)氫濃度較低時(shí)，釩晶體保持對稱結(jié)構(gòu)，使得氫原子能夠隧穿。隨著氫濃度升高，晶體發(fā)生畸變，迫使氫表現(xiàn)得更像經(jīng)典粒子。
“晶體對稱性就像控制量子行為開啟或關(guān)閉的潛在開關(guān)，”IIS表面與界面物理學(xué)教授福谷克之在新聞稿中補(bǔ)充道，“在對稱結(jié)構(gòu)中，氫能找到等效路徑，使其能夠在位置之間隧穿。”
“破壞這種對稱性——正如在較高氫濃度下所發(fā)生的那樣——隧穿就會被抑制，迫使氫轉(zhuǎn)而依靠熱能來在位置之間跳躍。”
弄清釩的結(jié)構(gòu)如何影響儲氫，有助于設(shè)計(jì)能夠發(fā)揮氫的量子行為、安全攜帶清潔能源的新材料，從而預(yù)示一個(gè)清潔能源的未來。
該研究成果已發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）期刊。
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