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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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