國家自然科學獎系列：中大創「納米水閥」助儲氫燃料罐減磅

http://paper.wenweipo.com [2013-06-18] 我要評論

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■劉志鋒構思出全新的「納米水閥」，於化學分子結構及特性上作突破。劉國權攝

——劉志鋒與內地學者合作研究獲獎受重視

　香港文匯報訊（記者馮晉研）氫燃料是當今最具發展潛力的潔淨能源之一，其效率高達汽油的6倍。但由於氫氣極不穩定，需要超堅固的儲氣罐，要存4公斤的氫，罐的重量卻達100公斤，難以真正發揮功用。香港中文大學化學系教授劉志鋒與內地學者合作，於化學分子結構及特性上尋求突破，創出全新的「納米水閥（Nano Aqueous Valve）」，研發以碳原子作「管」、以水分子造「閥門」的氫氣儲氣罐，初步試驗證明方向可行；若全面研發成功，儲氣罐重量便可大減至少於原有十分一，為新一代燃料儲存技術奠基。

　劉志鋒與上海復旦大學、中科院固體物理研究所多名專家學者合作，進行「金籠子與外場下納米結構轉變的研究」，早前更獲頒國家自然科學二等獎，備受學術界重視。劉的納米碳管及水閥結構項目，就是該獲獎研究的一部分。

體積大成本增潛在安全問題

　有別於汽油等化石燃料，氫氣不會釋放廢氣，對環境可持續發展非常重要，加上能源效益高，對經濟亦可產生正面作用。不過，氫燃料於實際應用上卻有著「致命」缺點。由於氫極不穩定，需要以能抵禦高壓的碳複合材料製罐儲存，但在現有技術下有關材料卻極為笨重，例如4公斤的氫氣足夠讓一輛小型汽車行駛400公里（相同距離需要以約24公斤重的汽油作燃料），但相應的儲氣罐便重達100公斤至200公斤，加上儲氣罐高壓封存易燃的氫氣，有潛在的安全問題，且佔用體積較大並令成本大增，有效氫氣儲存問題一直待解決，令技術難以應用。

碳原子捲圓筒抗萬倍氣壓

　針對有關問題，專研理論與計算化學的劉志鋒及其團隊便從分子結構入手，提出以「納米碳管」的新方法，製作高效和安全的儲氣罐。劉志鋒解釋，有關「納米碳管」，即是將碳原子排成平面，如紙般將其「捲」成圓筒狀，具備結構堅固，可承受高壓和穩定的優點。由於在微觀納米級的分子層面已極結實，製罐時無需再用笨重材料，如果未來實驗成功，屆時存放4公斤的氫氣，只需用10公斤重的納米碳管，較以往逾100公斤重的儲氣罐輕逾九成，讓有關技術大大向前邁進。而「納米碳管」更能抵禦5,000倍至10,000倍的大氣壓力，比起碳複合材料罐只能抵500倍至700倍氣壓堅固10倍以上。

冰塊化水閥防氫氣洩漏

　不過，從化學分子的立體結構層面，以碳原子合成圓筒狀的「管」容易，惟要如何設計在碳管兩端的「閥門」（Valves），防止儲存在碳管內的氫氣洩漏，卻是最大的難題。過往研究團隊曾嘗試兩種截然不同的設計，最終仍未能成功，並再於今年2月提出第三代的「納米水閥」新概念，為學界首創。

　劉志鋒解釋，「第三代」設計，做法是先把氫氣注入碳管，再將在頂端門閥位置的冰塊加熱融化成水，並利用該處「親氧基團」吸引水的「極性」，讓水分子在它的周邊自行組裝，自動形成「納米水閥」，將碳管的「門」關上。由於氫氣等和碳管屬「非極性」物質，故水閥可完全堵住碳管內的氫氣，達到儲氣目的。

證方法可行只邁了一小步

　有關設計已提交成都綠色能源與綠色製造技術研發中心進行試驗，已初步證明方法可行。至於何時能製成儲氣罐，劉志鋒表示，要視乎進一步實驗結果，「如果能實現（設計理論），之後會有甚麼問題？如果不能實現，還能做怎麼樣的改進。從理論到應用，也有可能不成功，目前只是邁了一小步」。

　他又指，要將科學概念完全實踐作製成品，當中還有很多問題要解決，例如過程中如何合成水閥、處理冰塊化成水閥溶點、提高儲存量等，仍有很遠的路要走。

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