當(dāng)前位置 : 
服務(wù)熱線
010-63716865
碳質(zhì)儲(chǔ)氫材料的原理
發(fā)布時(shí)間：2023-02-15 瀏覽量：2819
基于質(zhì)子膜燃料電池技術(shù)的氫能汽車(chē)具有清潔、高能效的特點(diǎn)，但高效儲(chǔ)氫技術(shù)是制約其商業(yè)應(yīng)用的瓶頸之一。固態(tài)材料被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)所需儲(chǔ)氫水平的可行途徑，其儲(chǔ)氨機(jī)理主要可分為兩類(lèi):一類(lèi)是通過(guò)化學(xué)吸附法存儲(chǔ)氫，如金屬氫化物；另一類(lèi)是使用物理吸附，比如金屬有機(jī)框架(MOF)，以配位鍵使金屬離子和有機(jī)鏈結(jié)合的晶體)材料，由于其具有高達(dá) 7100 m2/g 的比表面積而成為一種潛在的儲(chǔ)材料。除了MOF 材料，共價(jià)有機(jī)框架(COF)材料以及碳基材料也是理想的儲(chǔ)氫材料。
碳質(zhì)儲(chǔ)氫材料的原理是利用碳質(zhì)材料對(duì)氫氣的吸附作用來(lái)達(dá)到儲(chǔ)存氫氣的目的。由于氫氣與碳質(zhì)材料的相互作用較弱，增加比表面積和提高氫在材料表面的吹附能力是該類(lèi)材料的研究重點(diǎn)。碳基儲(chǔ)氫材料主要包括高比表面積活性炭、碳納米纖維、石墨納米纖維和碳納米管等。近年來(lái)，更多新型的、具有多級(jí)孔微納結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的碳質(zhì)儲(chǔ)氫材料不斷涌現(xiàn)出來(lái)。
將MOF材料在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行碳化，Yang 等獲得一種具有多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的碳材料。制備過(guò)程只涉及簡(jiǎn)單的熱調(diào)節(jié)，不包含復(fù)雜的操作過(guò)程。該多級(jí)孔碳材料具有大量的超微孔隙、高比表面積以及極高的孔容(達(dá)到4 cm3/g)，因此比一般的碳材料和MOF 具有更高的可逆儲(chǔ)氫性能。Mokaya等通過(guò)連續(xù)碳化和活化處理煙頭中的物質(zhì)，得到具有超高比表面積(4300 m2/g)和孔體積(2.09 cm3/g的超多孔炭，并且具有極好的儲(chǔ)氫能力。在-196℃、2.0MPa壓力環(huán)境中，氫吸附可達(dá) 8.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))過(guò)剩吸附量 (excess uptake)和9.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))吸附量(total uptake)，當(dāng)壓力上升到3.0 MPa和4.0 MPa時(shí)，總吸附量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別可達(dá)10.4%和11.2%。
碳?xì)饽z具有豐富的納米級(jí)孔洞(1~100 nm)、大孔隙率(>80%)、超高的比表面積(400~3200 m2/g)、結(jié)構(gòu)可控且孔道與外界相通等優(yōu)良特性，是一種很有潛力的多孔吸附儲(chǔ)氫材料。Kabbour等首次研究了碳?xì)饽z的儲(chǔ)氫性質(zhì)，用CO2在950℃高溫下活化制備碳?xì)饽z，比表面積為 3200 m2/g。在-196℃下，儲(chǔ)氫量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))可達(dá) 5.3%。袁秋月等研究了不同 CO2活化溫度對(duì)碳?xì)饽z儲(chǔ)氫性能的影響，結(jié)果表明活化溫度可以改變碳?xì)饽z的孔結(jié)構(gòu)，提高碳?xì)饽z的比表面積，從而增加氫吸附量。楊曦等制備了超低密度(20 mg/cm2 )的碳?xì)饽z，該材料在常壓、液氮溫度下獲得了 4.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的吸氫量。
石墨烯材料是碳質(zhì)儲(chǔ)氫材料家族的新成員。由于石墨烯和氫氣之間的物理相互作用主要是范德華力，二維石墨烯材料的儲(chǔ)氫量比較低[<2.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))]。理論計(jì)算表明，石墨烯材料進(jìn)行多級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)儲(chǔ)氫能力的提高至關(guān)重要。受此啟發(fā)，Guo等構(gòu)建了多級(jí)孔石墨烯儲(chǔ)材料，包含微孔(約0.8 nm)、介孔(約4nm)和大孔(>50nm)，其N(xiāo)2-BET比表面積達(dá)到1305 m2/g。該材料的氫氣物理吸附存儲(chǔ)能力超過(guò) 4.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)的石墨烯材料。僅靠物理吸附，碳材料的儲(chǔ)氫量十分有限，在碳基吸附劑中摻雜金屬，將氫溢流技術(shù)應(yīng)用到碳基儲(chǔ)氫材料，是提高碳材料室溫下儲(chǔ)氫量的有效方式之一。Zhou等將Pd負(fù)載到石墨烯上制備出 Pd-石墨烯納米復(fù)合材料，這種新型的儲(chǔ)氫體系具較好的儲(chǔ)氫性能、溫和條件吸氫以及低溫釋放氫氣性能。在 5 MPa 的充壓條件下Pd- 石墨烯納米復(fù)合材料吸附儲(chǔ)氫量可達(dá) 6.70%(質(zhì)量分?jǐn)?shù));當(dāng)壓力升高至6 MPa時(shí)，則可達(dá) 8.67%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。在非碳質(zhì)多級(jí)孔結(jié)構(gòu)儲(chǔ)氫材料方面，Cao 等通過(guò)無(wú)模板法合成了一種新穎的ZnV204多級(jí)結(jié)構(gòu)納米球，發(fā)現(xiàn)這種二維層狀納米結(jié)構(gòu)材料具有優(yōu)異的儲(chǔ)氫性能。在200 ℃、300℃和 400℃下ZnV2O4多級(jí)結(jié)構(gòu)納米球上吸附量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為 1.76%、2.03%和 2.49%，高于 ZnV2O4尖晶石氧化物納米片[氫吸附量1.74%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))] 以及ZnV2O4納/微小球組成的球形材料[氫吸附量 2.165%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))]。
如果您想了解更多關(guān)于【碳質(zhì)儲(chǔ)氫材料的原理】，可以聯(lián)系我們的在線客服為您詳細(xì)解答。