碳質(zhì)儲(chǔ)氫材料學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1碳質(zhì)儲(chǔ)氫材料碳質(zhì)儲(chǔ)氫材料(cilio)第一頁，共21頁。碳纖維碳纖維碳納米管碳納米管第2頁/共21頁第二頁，共21頁。活性炭 活性炭是一種黑色粉狀、粒狀或丸狀的無定形且具有多孔的碳，具有石墨那樣的精細(xì)結(jié)構(gòu)和較大的比表面積。 活性炭?jī)?chǔ)氫是典型的超臨界氣體吸附，是利用超高比表面積的活性炭作吸附劑的儲(chǔ)氫技術(shù)(jsh)。活性炭是一種黑色粉狀、粒狀或丸狀的無定形且具有多孔的碳，具有石墨那樣的精細(xì)結(jié)構(gòu)和較大的比表面積。 最早關(guān)于H2 在高比表面活性炭上吸附的報(bào)道是在 1967年 ( Kidnay A 和 HizaM)。第3頁/共21頁第三頁，共21頁。碳纖維碳纖維 碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)過碳化以及石

2、墨化處理(chl)而得到的微晶石墨材料 石墨納米纖維由含碳化合物經(jīng)所選金屬顆粒催化分解產(chǎn)生。碳納米纖維表面是分子級(jí)細(xì)孔，而內(nèi)部是直徑大約10nm的中空管，比表面積大，可以合成石墨層面垂直于纖維軸向或者與軸向成一定角度的魚骨狀特殊結(jié)構(gòu)的納米碳纖維 ，H2可以在這些納米碳纖維中凝聚，因此具有超級(jí)貯氫能力 。第4頁/共21頁第四頁，共21頁。碳納米管 碳納米管是由單層或多層石墨卷曲而成的無縫納米管狀態(tài)殼結(jié)構(gòu)。 碳納米管具有典型的層狀中空結(jié)構(gòu)特征,構(gòu)成碳納米管的層片之間存在一定的夾角碳納米管的管身是準(zhǔn)圓管結(jié)構(gòu)，并且大多數(shù)由五邊形截面所組成。管身由六邊形碳環(huán)微結(jié)構(gòu)單元組成, 端帽部分由含五邊形的碳環(huán)組成

3、的多邊形結(jié)構(gòu)，或者稱為多邊錐形多壁結(jié)構(gòu)。是一種具有特殊(tsh)結(jié)構(gòu)（徑向尺寸為納米量級(jí)，軸向尺寸為微米量級(jí)、管子兩端基本上都封口）的一維量子材料。 根據(jù)構(gòu)成管壁的碳原子層數(shù)的不同，可分為單壁碳納米管和多壁碳納米管第5頁/共21頁第五頁，共21頁。1.研究(ynji)現(xiàn)狀1.2.儲(chǔ)氫性能(xngnng)3.研究(ynji)前景第6頁/共21頁第六頁，共21頁。研究(ynji)現(xiàn)狀1。活性炭活性碳儲(chǔ)氫的研究主要集中于低溫領(lǐng)域，室溫下的研究較少。 目前，研究多集中于具有超高比表面積及發(fā)達(dá)空隙結(jié)構(gòu)的超級(jí)活性碳。其制備方法(fngf)主要有模板法和活化法兩種， Hynek等最新的研究成果是沒有一種活性

4、碳吸附劑在300K下有較好的吸附能力。第7頁/共21頁第七頁，共21頁。2，碳纖維(xinwi) 在1998年，Chanbers等描述了他們?cè)诓煌祭w維(xinwi)的吸附儲(chǔ)氫發(fā)現(xiàn)，在11.35MPA,298K的條件下，魚骨狀納米纖維(xinwi)、平板狀納米纖維(xinwi)，以及石墨氫吸附量分別是67.55wt%、53.68wt%、4.52wt% 在近期的研究混合了PT的碳納米纖維(xinwi)中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)PT含量超過0.2wt%時(shí)，H/PT可達(dá)到0.5；當(dāng)PT含量超過2wt%時(shí)，H/PT降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，這說明在C納米纖維(xinwi)中混合PT不能較好的改善其吸附性。 近來研究表明石墨納米

5、纖維(xinwi)最好的吸附量是在120ATM，27C時(shí)10wt%第8頁/共21頁第八頁，共21頁。碳納米管吸附機(jī)理 一種觀點(diǎn)認(rèn)為，CNT儲(chǔ)氫過程中只發(fā)生物理吸附，氫分子與碳分子間僅以范德華力產(chǎn)生相互作用，物理吸附具有吸附作用比較(bjio)小，吸附熱較低，可以產(chǎn)生多層吸附等特點(diǎn)。 另一種觀點(diǎn)則從化學(xué)反應(yīng)的角度研究CNT的儲(chǔ)氫過程，考慮吸附過程中分子的電子態(tài)改變和量子效應(yīng)，并考察CNT的結(jié)構(gòu)因素對(duì)發(fā)生化學(xué)吸附的影響?；瘜W(xué)吸附具有吸附作用強(qiáng)，吸附熱大，一般只能產(chǎn)生單層吸附，同時(shí)吸附和解析的速度較慢等特點(diǎn)，第9頁/共21頁第九頁，共21頁。1.單壁碳納米管 Lijima.s于1993年首先利用電弧

6、法首先制得了單壁碳納米管。這種碳納米管的精度(jn d)不高，包含納米型的金屬催化劑顆粒和大量的不定形碳。 YE等于1999年首次報(bào)道了用激光法制得的高純度的單壁碳納米管。這種碳納米管是用半連續(xù)電弧法制得，半徑1.85NM,納米管純度50-60wt%。在室溫10MPA下，這種材料的吸附儲(chǔ)氫量為4.2wt%，大約有80%的氫可以脫附。第10頁/共21頁第十頁，共21頁。.2，多壁碳納米管 多壁碳納米管是近幾年才被研究的。合成他的第一個(gè)方法是電弧法。在2000年的報(bào)道指出經(jīng)過金屬LI處理的多壁碳納米管的儲(chǔ)氫量為2.5wt%。 近來科學(xué)家獲得了新一種多壁碳納米管材料。這種材料是由一氧化碳和甲烷經(jīng)過催

7、化分解而獲得。他們發(fā)現(xiàn)(fxin)調(diào)整催化劑的組成，可以得到不同的碳納米管。第11頁/共21頁第十一頁，共21頁。儲(chǔ)氫性能(xngnng)1，活性炭由圖中可得氫在活性碳上的吸附隨溫度(wnd)的降低而明顯增大。說明活性炭的儲(chǔ)氫能力比較可觀。第12頁/共21頁第十二頁，共21頁。碳纖維第13頁/共21頁第十三頁，共21頁。由圖一可知：沒經(jīng)處理的碳納米纖維原始樣的儲(chǔ)氫量?jī)H為0.7%。這可能是因?yàn)槠湮搅丝諝庵械亩嘤嗨趾推渌麣怏w，并且中空管也沒有打開，導(dǎo)致無法吸附更多的氫氣。經(jīng)過一定處理后，儲(chǔ)氫量大大提高。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)表明：影響碳納米纖維儲(chǔ)氫量的一個(gè)重要的因素是儲(chǔ)氫前的熱處理溫度。這可能是由于在較低溫

8、度下的熱處理，使得表面吸附的雜質(zhì)氣體和含氧官能團(tuán)沒有完全除去。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)(fxin)在納米碳纖維處理的前后，孔徑結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)(fxin)了顯著的改變。如下圖第14頁/共21頁第十四頁，共21頁。處理(chl)后的比表面積增大了一倍，且大孔數(shù)減少，中空數(shù)增加。這是由于碳纖維的端口被打開了。第15頁/共21頁第十五頁，共21頁。碳納米管1，單壁碳納米管 美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室Dillon等采用程序(chngx)控溫脫附儀在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)單壁碳納米管在130K、133.332X300 Pa條件下,儲(chǔ)氫量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%-10%。 Poirier等在空氣中和低溫條件下對(duì)單壁碳納米管的儲(chǔ)氫性能進(jìn)行了測(cè)試，通過

9、單壁碳納米管和活性炭相關(guān)性能的比較，結(jié)果表明：一些鈦?zhàn)杂苫鶈伪谔技{米管在任何溫度下都比大表面積的活性炭的儲(chǔ)氫能力高得多。在特定的實(shí)驗(yàn)條件下單壁碳納米管的吸氫能力比表面積大的活性炭高。其他相關(guān)研究：第16頁/共21頁第十六頁，共21頁。 多壁碳納米管 郝東輝等采用定向多壁碳納米管和非定向碳納米管混以銅粉制成的電極，進(jìn)行了恒流沖放電電化學(xué)實(shí)驗(yàn)，儲(chǔ)氫量的對(duì)比表明，定向多壁碳納米管的儲(chǔ)氫量高達(dá)5.7%，是非定向多壁碳納米管的儲(chǔ)氫量的13倍，是石墨的10倍。 Zhang等11分別對(duì)10-20 nm，10-30 nm ，20-40 nm，40-60 nm和60-100 nm不同尺寸的多壁碳納米管進(jìn)行電化學(xué)

10、儲(chǔ)氫研究。用LaNi5合金顆粒作為催化劑真空中進(jìn)行處理(chl)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同的測(cè)試條件下，不同尺寸的多壁碳納米管在電化學(xué)儲(chǔ)氫方面有很大的差異。10-30 nm多壁碳納米管的電化學(xué)儲(chǔ)氫能力最強(qiáng)，60-100 nm多壁碳納米管的儲(chǔ)氫能力最差。在實(shí)驗(yàn)中可以看出碳納米管的尺寸是影響電化學(xué)儲(chǔ)氫性能的一個(gè)主要因素。相關(guān)研究;第17頁/共21頁第十七頁，共21頁。研究(ynji)前景 目前活性炭吸附儲(chǔ)氫只有在低溫條件下，才能實(shí)現(xiàn)好的吸附特性，碳納米材料吸附儲(chǔ)氫依舊處于研發(fā)階段。對(duì)于工業(yè)應(yīng)用還不成熟，還有許多需要改進(jìn)和研究的地方。很明顯，目前最重要的是解決如何獲得室溫、中等壓力條件下，盡可能大的的吸附氫。 這就涉及三個(gè)方面的研究問題(wnt):吸附儲(chǔ)氫的吸附機(jī)理，優(yōu)質(zhì)吸附劑的合成、吸附劑的凈化。只有這些方面有重大的突破時(shí)，才能向工業(yè)化的生產(chǎn)前進(jìn)。第18頁/共21頁第十八頁，共21頁。碳納米管 由于對(duì)碳納米管的制備及所采用的儲(chǔ)氫測(cè)試方法上的不同(b tn)，碳納米管的儲(chǔ)氫量還存在爭(zhēng)議，目前沒有一個(gè)比較好的標(biāo)準(zhǔn)來衡量其實(shí)際儲(chǔ)氫能力，但是也可以看出碳