碳基和有机物储氢材料的研究进展_吕丹
储氢材料研究进展
储氢材料研究进展储氢材料是一种能够吸附、存储和释放氢气的材料。
由于氢气是一种清洁、高能量密度的能源源，因此研究和开发高效、安全、可靠的储氢材料对于实现氢能源经济至关重要。
以下是储氢材料研究的一些最新进展。
一种被广泛研究的储氢材料是金属-有机骨架材料(MOFs)。
MOFs是由金属离子(或金属团簇)与有机配体构成的晶状材料。
它们具有大的表面积和可调、高度可控的孔隙结构，这使得它们能够有效地吸附和储存氢气。
近年来，研究人员发现通过改变MOFs的化学组成和结构，可以进一步提高其储氢性能。
例如，将不同的金属离子引入MOFs，并调整配体的取代基，可以改变材料的吸附容量和吸附条件。
此外，研究人员还尝试利用功能化MOFs，如在其表面引入催化剂，以提高氢气的解吸速度和反应活性。
除了MOFs，碳基材料也是另一个研究热点。
碳基材料具有优良的导电性、热稳定性和化学稳定性，使其成为理想的储氢材料。
碳纳米管、石墨烯和活性炭等碳基材料都已被广泛研究用于储氢。
石墨烯具有高表面积和高导电性，可以增加吸附氢气的能力，并提高储氢速度。
碳纳米管则可以通过改变结构和直径来调节其吸附容量。
此外，不同的活性炭材料具有不同的微孔结构和吸附能力，可以根据需要进行选择和优化。
还有一类被广泛研究的储氢材料是金属氢化物。
金属氢化物具有较高的密度和储氢容量，是一种高效的储氢材料。
然而，金属氢化物的储氢速率通常较低，且吸附和解吸氢气需要较高的温度和压力。
为解决这一问题，研究人员已经开始将金属氢化物与其他材料进行复合。
例如，金属氢化物与MOFs或碳纳米管复合可以提高储氢速率和降低操作温度和压力。
此外，添加催化剂如铂、钯或镍等也可以增加金属氢化物与氢气之间的反应速率。
除了上述材料，还有一些其他新颖的储氢材料被研究出来。
例如，储氢容量较高的两性离子材料和金属有机骨架材料，以及结合常规材料如钠、镁和铝等金属的储氢合金材料。
这些新颖材料的研究为高效、可持续、低成本的储氢技术的发展提供了新方向。
储氢材料的研究进展
储氢材料的研究进展一、本文概述随着全球能源结构的转型和可持续发展目标的日益紧迫，氢能作为一种清洁、高效的能源形式，正受到越来越多的关注。
而储氢材料作为氢能利用的关键环节，其性能的提升和技术的突破对于氢能的大规模应用具有决定性的影响。
本文旨在全面综述储氢材料的研究进展，通过对不同类型储氢材料的性能特点、应用领域以及发展趋势进行深入探讨，以期为氢能领域的科研人员和技术人员提供有益的参考和启示。
本文将首先介绍储氢材料的研究背景和重要意义，然后从物理储氢材料、化学储氢材料和复合储氢材料三个方面，分别阐述各类储氢材料的最新研究成果和进展。
在此基础上，本文将重点分析储氢材料的性能评价指标，如储氢密度、吸放氢动力学、循环稳定性等，并探讨影响这些性能指标的关键因素。
本文将展望储氢材料的发展趋势和未来研究方向，以期为推动氢能领域的技术创新和产业发展贡献一份力量。
二、储氢材料的分类储氢材料，作为能量储存和转换的重要媒介，在氢能源的应用中扮演着关键角色。
根据其储氢机制和材料特性，储氢材料大致可分为物理吸附储氢材料、化学氢化物储氢材料、金属有机骨架储氢材料以及纳米储氢材料等几大类。
物理吸附储氢材料：这类材料主要通过物理吸附作用储存氢气，如活性炭、碳纳米管、石墨烯等。
这些材料具有高的比表面积和良好的吸附性能，能够有效地吸附并储存氢气。
然而，其储氢密度相对较低，且受温度和压力影响较大。
化学氢化物储氢材料：这类材料通过化学反应将氢气转化为氢化物来储存氢，如金属氢化物（如NaAlHMgH2等）和氨硼烷等。
这类材料具有较高的储氢密度，但储氢和释氢过程通常需要较高的温度和压力，且可能伴随有副反应的发生。
金属有机骨架储氢材料：金属有机骨架（MOFs）是一种新型的多孔材料，具有高的比表面积和孔体积，以及可调的孔径和化学性质。
MOFs材料通过物理吸附或化学吸附的方式储存氢气，具有较高的储氢密度和良好的可逆性。
纳米储氢材料：纳米储氢材料主要包括纳米金属颗粒、纳米碳材料等。
浅议储氢材料的发展现状与研究前景
浅议储氢材料的发展现状与研究前景随着全球能源需求的不断增长和环境保护意识的提高，寻找清洁、高效的新能源成为了当前的热门话题。
在多种可再生能源中，氢能被认为是一种极具潜力的能源，并且在储氢技术方面取得了一定的进展。
储氢材料作为储存氢气的关键组成部分，其发展现状和研究前景备受关注。
本文将对储氢材料的发展现状进行简要介绍，并展望其未来的研究前景。
储氢材料是指能够吸附、吸收或化学反应储存氢气的材料。
目前，主要的储氢材料包括金属氢化物、碳材料、化学吸附材料和氢离子导体等。
这些储氢材料各自具有独特的特点和优势，但同时也存在一些挑战和限制。
下面将从这四类典型的储氢材料入手，对其发展现状进行分析。
首先是金属氢化物储氢材料。
金属氢化物是目前研究和应用较为广泛的储氢材料之一。
其通过吸附氢分子形成金属氢化物化合物，并在一定的条件下释放氢气。
金属氢化物的储氢密度较高，能量密度也较大，这使得它成为了一种理想的储氢材料。
金属氢化物在吸附和释放氢气的过程中往往需要较高的温度和压力，且循环稳定性较差，这限制了其在实际应用中的发展。
未来，如果能够针对金属氢化物的反应机理进行深入研究，优化其结构和性能，有望克服目前的技术难题，进一步提高其储氢性能。
第三是化学吸附材料储氢材料。
化学吸附材料利用化学吸附反应来将氢气储存于材料中。
与物理吸附相比，化学吸附通常能够获得更高的存储密度和更低的操作压力，因此备受关注。
目前，主要包括金属有机框架材料（MOFs）、共价有机框架材料（COFs）等化学吸附材料被认为是较为有潜力的储氢材料。
这类材料在反应动力学和循环稳定性等方面仍存在一定挑战，需要进行进一步的研究。
未来，通过合理设计材料结构、优化反应条件、探索新型催化剂等手段，有望开发出更为高效的化学吸附储氢材料。
最后是氢离子导体储氢材料。
氢离子导体利用固体氧化物或氟化物来传递氢离子，实现氢气的储存和释放。
这种方式能够在较低的温度和压力下实现高效储氢，且具有较高的安全性，因此备受关注。
储氢材料的发展历史和研究进展
文献综述储氢材料的发展历史和研究进展摘要作为一种清洁的新型能源，氢能对当今社会的重要性不言而喻，而氢能的有效利用成为了当前的研究重点，氢能应用的关键是氢的有效储存。
综述了目前所采用或正在研究的主要储氢材料，包括金属氢化物储氢、碳质储氢材料，分析了它们的优缺点，同时指出其相关发展趋势关键词储氢材料，传统储氢材料，金属储氢材料，碳质储氢材料1 引言进入了新的世纪，随之而来的还有许许多多的问题，其中最重要的问题之一是新能源问题！当今世界上应用最广的还是石油等化石能源，但这些化石能源也在不断减少，而且这些能源的利用率低，污染严重！因为这些能源利用而产生的污染问题也在日益加重！如：温室效应！氢能就在这样的背景下应运而生！氢能的原料——氢气在地球上的储量很大，而且氢气的使用具有可循环性！这些显著的优点使得当今世界中对氢能利用的呼声越涨越高！氢气是一种清洁的燃料，氢气燃烧后可以产生水，而它也可以用水制得！而水是地球上随处可见的！氢气的燃烧不会产生任何的温室气体，可以大大缓解当前严重的“温室效应”现象！氢能的使用便成为了以后世界中最具发展性的能源之一！而氢能的使用的条件是储存和运输！有关储氢材料的研究便就此展开！研究一种性能好的储氢材料成为了一个亟待解决的问题！［1］2传统储氢方式传统的储氢方式分为气态储氢和低温储氢两种方式，它们各有千秋，有都有各自的弊端，下面就详细介绍它们的优缺点。
2.1气态储氢方式气态储氢方式的成本低，在常温下就可以进行，但需要加大压强，使气体压缩，且储存的气体能量较小，它还需要能承受住足够压力的容器，这边对能储存这种压力下的氢气的容器要求十分之高。
而且这种储氢方式的容器承压能力不够强的话，还会存在氢气易泄漏，易爆炸的危险。
这种储氢方式的发展在于研究一种能承受住足够压力的材料，且不容易裂开的材料！2.2低温液态储氢低温液态储氢方式是将氢气进行压缩并置于低温的环境下使其可以成为液态，并放入绝热性能高的容器中。
碳基储氢材料的技术研究及展望
碳基储氢材料的技术研究及展望摘要：本文从功能性材料和纤维缠绕结构性复合材料两个方面，总结了碳基材料在储氢领域的技术进展。
功能型储氢材料的技术原理是表面吸附，包括活性炭、活性炭纤维、纳米碳纤维、碳纳米管、石墨烯等，应用的关键在于开发较高温度下的低成本吸附材料。
高性能纤维缠绕复合材料是高压储氢技术的研究热点，结合低温技术，可以实现在保证储氢能力的同时降低压力，具有较好的经济性。
关键词：碳基材料；储氢；吸附；纤维缠绕复合材料氢能具有资源丰富、高热值、无污染、可再生的优点，是理想的新一代清洁能源。
与化石能源相比，氢气燃烧发热量为28700kcal·kg-1，优质煤炭为8000kcal·kg-1，汽油为10630kcal·kg-1，天然气为11930kcal·kg-1。
氢能利用的关键技术在于储存，全世界科学家投入大量的精力，以开发安全经济的储存技术，现有氢气的储存方法有液化储存、压缩储存、金属氢化物储存、吸附储存等。
在作为结构材料的高压压缩氢气储存技术领域，以及作为功能材料的吸附储存技术领域中，碳基材料都发挥着关键的作用，也是过去几十年的研究焦点。
1 功能型碳基储氢材料功能型碳基储氢材料是依据碳基吸附材料可在低温条件下物理吸附储氢，高温下氢气解吸附的原理，进行氢气的储存和利用。
碳基吸附材料的比重轻，对氢气的吸附量大，经济性好，对气体中的杂质不敏感且可以循环使用。
碳基吸附储氢材料主要有活性炭、活性炭纤维、纳米碳材料三大类。
1.1 活性炭活性炭是黑色粉状、颗粒状或者柱状的多孔碳材料，具有无定形的微观结构和很大的比表面积。
活性炭储氢是利用超临界气体的吸附原理，活性炭储氢的研究主要在低温领域，研究多集中于超高比表面积及发达孔隙结构的超级活性炭。
超级活性炭储氢技术始于20世纪60年代，是以具有超高比表面积的活性炭为吸附剂，在中低温（77～273K）和中高压（1～10MPa）下的吸附储氢技术。
储氢材料的研究进展
储氢材料的研究进展储氢材料是指能够有效地吸附和存储氢气的材料，是实现氢能源经济利用的关键技术之一、目前，储氢材料的研究进展日益迅速，主要集中在金属氢化物、碳基材料和有机多孔材料等几个方向上。
金属氢化物是当前最常用的储氢材料，其具有高储氢容量和可逆性的优点。
研究者们将重点放在改善金属氢化物的储氢动力学性能方面，包括催化剂的引入、微观结构和晶体形态的调控等。
另外，也有一些新型金属氢化物相如LiBH4、NaAlH4等被发现具有更高的储氢容量和较低的吸附解吸温度，为进一步提高金属氢化物的储氢性能提供了新的思路。
碳基材料是近年来备受关注的储氢材料。
石墨烯是一种具有单层碳原子构成的二维材料，具有大的比表面积和孔隙结构，能够容纳较多的氢气。
同时，碳纳米管、石墨烯氮化物和多壁碳纳米管等碳基材料也被广泛研究。
通过纳米材料的合成和结构调控，可以提高材料的储氢性能。
此外，研究者们还利用功能化改性碳基材料，如使用过渡金属氧化物、转金属等对其进行改性，提高其储氢性能。
有机多孔材料也是一种研究热点。
有机多孔材料具有大的比表面积和丰富的孔结构，可以通过吸附作用容纳大量的氢气。
目前，金属有机框架材料（MOF）和共轭有机多孔聚合物（CMP）是研究的主要方向。
MOF具有多元功能，通过合理选择金属和有机配体可以控制其孔隙结构和氢气吸附性能。
CMP是一种由共轭聚合物构成的大分子材料，通过调节共轭长度和交替共轭单元的数量可以改变其储氢性能。
除了上述主要的研究方向，还有一些其他新兴的储氢材料备受关注，如复合材料、离子交换树脂和化学氮化物等。
复合材料的结构多样性和优异的储氢性能使其成为研究热点。
离子交换树脂具有大的孔隙结构和高度大孔度表面积，能够吸附大量的氢气。
化学氮化物是一类新型储氢材料，具有高的储氢容量和可逆性，但需要进一步研究其可控合成和储氢动力学性能。
总之，储氢材料的研究进展日益迅速，包括金属氢化物、碳基材料和有机多孔材料等多个方向。
储氢材料的研究进展1
储氢材料的研究进展1储氢材料的研究进展1储氢材料是指能够吸附或储存大量氢气的物质，它在氢能技术的应用中起着关键作用。
目前，储氢材料的研究进展如下：1.金属氢化物：金属氢化物是一种包括氢原子的金属结构。
这类材料具有高储氢密度和相对较低的温度要求，因此在储氢领域具有重要的潜力。
最常见的金属氢化物是锂氢化物和镁氢化物。
近年来，研究人员通过改变材料的微观结构和添加催化剂等方法，成功地提高了金属氢化物的储氢性能。
2.有机储氢材料：有机储氢材料是一类由碳、氢和其他元素组成的有机化合物，它们通过化学反应吸附和储存氢气。
这类材料的优势在于其相对较低的工作温度要求和较高的储氢容量。
研究人员通过设计新型的有机储氢材料和调节其结构，有效地提高了其吸附和释放氢气的性能。
3.多孔材料：多孔材料是一类具有微孔或介孔结构的材料，其具有较大的表面积和空隙，可用于吸附和储存氢气。
常见的多孔材料包括金属有机骨架材料（MOFs）、多孔有机聚合物（POPs）、金属氧化物和碳纳米管等。
近年来，研究人员通过调节多孔材料的结构和化学组成，成功地提高了其储氢性能。
4.硼氮化物：硼氮化物是一类由硼和氮组成的化合物，其具有非常高的储氢密度和热稳定性。
硼氮化物的挑战在于其吸附和释放氢气的动力学过程较慢。
近年来，研究人员通过合成纳米材料、引入催化剂和调节硼氮化物的结构等方法，成功提高了其储氢性能。
5.复合材料：复合材料是利用不同种类的材料组合而成的材料，其吸附和储存氢气的性能可以通过调节不同组分的比例和结构来改善。
常见的复合材料包括金属-有机骨架材料的混合物、碳材料的复合体等。
研究人员通过设计和合成新型的复合材料，成功提高了其储氢性能。
总结起来，储氢材料的研究进展主要包括金属氢化物、有机储氢材料、多孔材料、硼氮化物和复合材料等。
这些材料在储氢技术中具有重要的应用潜力，研究人员通过调节其结构、应用新型催化剂和合成方法等手段，不断提高其储氢性能，推动氢能技术的发展。
储氢材料研究进展
储氢材料研究进展储氢是一种将氢气存储起来以便在需要时释放的技术。
储氢材料是指能够吸附、吸收或反应氢气的材料。
目前，储氢材料的研究已经取得了一些进展，下面将对其进行具体介绍。
第一种储氢材料是吸附剂。
吸附剂是指能通过物理吸附将氢气吸附到其表面的材料。
目前研究表明，金属有机框架材料（MOFs）在储氢方面具有很大的潜力。
MOFs具有高度可调性，表面积大，孔径大小可调，能够提供更好的吸附效果。
此外，碳材料，如活性炭、石墨烯等，也是一种常见的吸附剂。
通过改变碳材料的结构和表面性质，可以提高其吸附氢气的能力。
第二种储氢材料是吸收剂。
吸收剂是指能够将氢气通过化学反应吸收到其内部结构中的材料。
一种典型的吸收剂是金属氢化物。
金属氢化物可以将氢气转化为金属氢化物，并在需要时释放出氢气。
近年来，一种新型的金属氢化物材料，即主族金属氢化物（如LiH、MgH2等），显示出了较高的储氢能力。
此外，还有其他吸收剂，如复合材料和拓扑结构材料，也显示出潜在的储氢性能。
第三种储氢材料是反应剂。
反应剂是指能够通过与氢气发生化学反应来储存氢气的材料。
一种常见的反应剂是金属合金。
金属合金通常由两种或多种金属的混合物组成，能够与氢气发生反应，并在需要时释放出氢气。
例如，氢化镁镍合金是一种常用的储氢材料，具有较高的储氢能力。
此外，还有其他一些金属合金和复合材料被研究作为储氢材料。
总的来说，储氢材料的研究取得了一些进展，但仍然存在一些挑战。
首先，储氢能力仍然有待提高。
目前已有的储氢材料在储存密度和放氢速率方面仍然存在限制。
其次，储氢材料的稳定性和循环寿命也需要进一步改进。
一些储氢材料在反复循环后会失去其储氢性能。
此外，储氢材料的成本也是一个重要的考虑因素，需要寻找更便宜和可大规模生产的材料。
总之，储氢材料的研究进展为氢能源的开发和应用提供了基础。
通过进一步的研究和创新，相信储氢材料的储氢能力和性能将得到进一步的提高，为实现低碳经济和可持续发展做出贡献。
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碳基和有机物储氢材料的研究进展吕 丹1,2,刘太奇1(1.北京石油化工学院环境材料研究中心,北京102617;2.北京化工大学,北京100029)摘 要:日益严峻的能源危机和环境污染,使得发展清洁的可再生能源成为各个国家的重要议题。
氢能源以其可再生性和良好的环保效应成为未来最具发展潜力的能源载体。
氢的储存是发展氢能技术的难点之一。
本文介绍了目前很受关注的两种储氢材料:碳基储氢材料和有机物储氢材料。
其中碳基储氢材料主要介绍了活性炭、碳纤维、碳纳米管及碳化物的衍生物;而有机物储氢材料主要介绍了有机液体和金属有机物。
同时对碳基及有机物储氢材料的研究进展进行了综述。
指出了碳基储氢材料的未来研究方向,提出了金属有机多孔材料的逐步发展,是开发新型多孔材料的一个关键,也是探索新型的金属有机物储氢材料的关键。
关键词:碳基储氢材料;有机物储氢材料;金属有机物中图分类号:TQ127.12 文献识别码:A 随着环境污染的日趋严重以及石油、煤等能源的逐渐枯竭,世界各国都已开始致力于新能源的研究与开发。
氢气是一种高能量密度、清洁且资源丰富的绿色新能源,它在燃料电池以及高能可充放电电池等方面展现了很好的应用前景,从而有望成为未来世界的主要能源。
在利用氢能的过程中,氢气的储存和运输是关键问题。
目前所用的储氢材料主要有合金、碳材料、有机化合物以及玻璃微球和某些络合物。
本文主要讨论碳基及有机物储氢的储氢功能特点,综述了它们的近期研究进展。
1 碳基储氢材料1.1 活性炭储氢Carpetis是最早研究在活性碳中吸附储存氢的学者,他在论文中第一次提到将低温吸附剂运用到大型储氢系统中,指出氢气在活性炭中吸附储存的容积密度和液态氢的容积密度相当。
当温度为78 K和65K,压力为4.20×105Pa时,氢气在活性炭上的储氢质量分数分别为6.37%和7.58%[1]。
但是普通活性炭储氢,即使在低温下储氢量也达不到质量分数1%,对氢气的储存能力不太明显,只是活性炭便宜且容易制得。
周理等用比表面积3000 m2/g,微孔容积1.5mL/g的超级活性炭,在-196℃,3MPa下储氢量达到质量分数5%。
但随温度提高,储氢量越来越低[2]。
詹亮等用高硫焦制备了一系列的活性炭,研究表明氢在超级活性炭上的储存量,在较低压力下随压力升高而显著增加;在较高压力下,活性炭的比表面积对其影响较为明显。
在293K/5MPa,94K/6M Pa下,超级活性炭上的储氢质量分数达1.90%,9.80%[3]。
活性炭贮氢主要用于低压吸附贮氢,如作为汽车燃料的贮存。
由于该技术具有压力低、贮存容器自重轻、形状选择余地大、成本低等优点,已引起广泛关注。
但美国能源部(DOE)要求,对燃料电池电动汽车,其体积储氢密度必须达到63kg/m3,质量分数6.50%。
从已有的应用研究证明,各种分子筛和超级活性炭均达不到DOE的要求[4]。
1.2 碳纤维储氢材料碳纳米纤维表面具有分子级细孔,内部直径大约10nm的中空管,比表面积大,而且可以合成石墨层面垂直于纤维轴向或与轴向成一定角度的鱼骨状特殊结构的纳米碳纤维,大量氢气可以在纳米碳纤维中凝聚,从而可能具有超级贮氢能力[5]。
石墨纳米纤维由含碳化合物经所选金属颗粒催化分解产生。
Chambe rs等用鲱鱼骨状的纳米炭纤维在12MPa,25℃下竟然得到的储氢质量分数为67%,但至今无人能重复此结果。
最近Angela等人报道了进行各种预处理的石墨纳米纤维,在预处理阶段具有显著的储氢水平。
最好的预处理能导致在7.04M Pa和室温下储存氢气的质量分数为3.80%[6]。
范月英等用纳米炭纤维于12M Pa,25℃下储存了质量分数13.60%的氢气[7]。
毛宗强等用自制的碳纳米纤维在特制的不锈钢高压回路中进行了吸附储氢的验证实验,发现在室温条件下,经适当处理的碳纳米纤维的储氢能力最高可达9.99%[8]。
螺旋形炭纤维是20世纪90年代初日本的Mo-tojima等以镍作催化剂,采用催化热解乙炔方法制备而得并能很好地重复[9]。
螺旋炭纤维由于具有不同手性的特殊螺旋结构(手性材料的最大特点是具有电磁场的交叉极化性能),从而使其有可能在储能材料、微电子器件、电磁波吸收剂等诸多领域得到应14《新技术新工艺》纳米材料、新材料研究进展综述 2006年 第8期用。
螺旋炭纤维的质量储氢容量为1.90%,明显高于平直炭纤维的重量储氢容量的1.24%,分析其原因也可能是由于平直炭纤维的外层无定形炭(较小的石墨微晶)破坏了利于储氢的“碳岛结构”;而螺旋的外层较有序的石墨微晶结构加以适当的缺陷会利于“碳岛”结构发挥作用[10]。
1.3 碳纳米管储氢材料碳纳米管分为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管以及由单壁纳米碳管束形成的复合管。
虽然各国学者对碳纳米材料的储氢研究都刚刚开始,但关于这方面的研究已经有很多报道[11-12]。
不过后来的实验证明不然。
例如,Tibbetts和他的同事声称,任何报道的储氢质量分数高于1%的,都是由于实验中的错误所致[13]。
这个结论被Shiraishi和其共事者所支持,他们报道说氢的储存质量密度只有0.30%[14];Kajiura等人报道最大的储氢能力为0.43%[15]。
理论的研究也证明在纯的CN T中通过物理吸附获得高的储氢量是不可能的[16]。
最近,两个理论组已经表明涂覆在碳的富勒烯和CN T上的金属原子,像Sc和Ti,能以分子形式以0.50eV/ H2分子的结合能和用高于8%的质量分数结合氢,与10多年前Niu等人所证明的相似[17-18]。
国内外众多学者还将纳米碳管与金属粉末及添加剂混和后压制成电极,采用恒流充放电实验来测定纳米碳管的电化学储氢性能。
最早对单壁纳米碳管和多壁纳米碳管的电化学储氢特性的研究,所测定的单壁纳米碳管电极的最大比电容量为100mA h/g,对应的储氢质量分数是0.39%。
Qin等人测定的多壁纳米碳管和镍粉混合制成的电极的比电容量达到了200mA h/g[19]。
最近Shichun等人又报道了通过等离子体技术增加碳纳米管的缺陷更有助于储氢,而且,使用Pd改性内部含缺陷的碳纳米管储氢,能够进一步改进氢的储存和加速氢的吸收[20-21]。
尽管人们对碳纳米管储氢的研究已取得了一些进展,但至今仍不能完全了解纳米孔中发生的特殊物理化学变化过程,也无法准确测得纳米管的密度,今后还应在储氢机理、复合掺杂改性和显微结构控制等方面进行深入研究[22]。
1.4 碳化物的衍生物作为储氢材料碳化物的衍生物(CDC)由碳化物的高温氯化制得。
几年前就研究了氢在两个CDC材料中的储存,发现了它是很有潜力的。
现已证明,用孔尺寸可调的多孔的纳米CDCs,特殊的表面积达到了2000 m2/g,孔体积达到了1cm3/g,在0.1M Pa,77K 下,可用作储氢材料,其氢的存储质量分数达到3%[23]。
尽管对碳基储氢材料的研究已经有很大进展,但研究人员们仍在继续探索,最近通过分子模拟预测了一种叫做石墨化的碳倒转蛋白石(GCIO)[24],它是一种新型的碳质材料,在室温下能够表现极好的吸氢特性。
基于完美的校准力场的模拟结果表明,在T=298K,P=30.25M Pa下,当球形空穴的直径为1.78nm时,大量的氢储存质量分数达到了5.90%,相应的体积输送能力达到了50kg/m3,与能源部(DOE)所确定的目标非常接近。
GCIO材料的一个主要优点是它们的高产率在技术上是容易达到的,这使得它们有希望成为未来汽车工业廉价储氢的候选材料。
无疑,这个新发现使人们对碳基储氢材料的发展前景又增添了一份信心。
2 有机物储氢材料2.1 有机液体储氢有机液体氢化物储氢是借助不饱和液体有机物与氢的一对可逆反应,即加氢反应和脱氢反应实现的。
加氢反应实现氢的储存(化学键合),脱氢反应实现氢的释放。
不饱和有机液体化合物做储氢剂,可循环使用。
图1是这种储氢技术的示意图。
图1 有机液体氢化物储氢示意图有机液体储氢技术与传统的储氢技术(深冷液化、金属氢化物、高压压缩)相比,具有以下优点:①储氢量大。
苯和甲苯的理论储氢质量分数分别为7.19%和6.18%,比传统的金属氢化物、高压压缩的储氢量大得多。
②储氢剂和氢载体的性质与汽油相似,储存、运输、维护保养安全方便。
特别是储存设施的简便是传统储氢技术难以比拟的。
③可多次循环使用,寿命长达20年。
④加氢反应放出大量的热,可供利用[25]。
烯烃、炔烃、芳烃等不饱和有机液体均可作储氢材料,但从储氢过程的能耗、储氢量、储氢剂、物理性质等方面考虑,以芳烃特别是单环芳烃做储氢剂为佳。
表1列出了几种可能的有机储氢体系[25]。
可见萘(C10H8)的理论储氢质量分数和储氢密度均稍高于甲苯和苯,但在常温下呈固态,并且反应的可逆性较差;乙苯、辛烯的储氢量不及苯15《新技术新工艺》纳米材料、新材料研究进展综述 2006年 第8期和甲苯,反应也并非完全可逆;只有苯和甲苯是比较理想的储氢材料。
表1 几种可能的有机储氢体系可逆反应储氢密度/g H L-1理论储氢质量分数(%)每千克储氢量/k gH反应热k J/molC6H6+3H2=C6H1256.007.1912.90206.00 C7H8+3H2=C7H1447.406.1815.20204.80 C8H10+3H2=C8H1646.405.3517.70201.50 C8H16+H2=C8H1812.401.7655.70125.50 C10H8+5H2=C10H1865.307.2912.70319.90 自从1980年,Taube等人分析、论证了利用甲基环己烷(MCH)作氢载体贮氢为汽车提供燃料的可能性后[26],许多学者对为汽车提供燃料的技术开展了很多卓有成效的研究和开发工作,对催化加氢脱氢的贮存输送进行了广泛的开发:意大利正在研究用有机液体氢化物贮氢技术开发化学热泵;日本正在考虑把此种贮氢技术应用于船舶运氢;瑞士、日本等国正在研制M CH脱氢反应膜催化反应器,以解决脱氢催化剂失活和低温转化率低的问题;我国石油大学从1994年开始,较详细地研究了基于汽车氢燃料的有机液体氢化物贮氢技术[27]。
2.2 金属有机物储氢金属有机物储氢是最近几年发现的一类很有前景的储氢材料。
Jo sefina等人合成了三维聚合的对苯二酸钪[Sc2(C8H4O4)3],其高的化学和热的稳定性以及极好的吸氢特性,使这种化合物成为一种很有潜能的储氢材料[28]。
金属有机多孔骨架化合物,又称为金属有机配位聚合物,也是近十年来学术界广泛重视的一类新型多孔材料[29-33]。
它是由金属离子和有机配体自组装而形成。
这类金属有机多孔骨架化合物有各种各样的孔道类型,这些孔道无论从形状、大小,还是从对客体分子的吸附性能上讲,都有别于沸石分子筛。