碳質(zhì)材料儲氫的研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)

摘 要：氫能是一種清潔無污染的能源，在能源形勢日趨緊張，環(huán)境污染越來越嚴重的情況下，人們越來越重視清潔、環(huán)保的可再生能源的研究，因此人們開始對氫能進行大量的研究。本文對碳質(zhì)儲氫材料的研究現(xiàn)狀進行了介紹，并且探討了其未來的發(fā)展動態(tài)。

關(guān)鍵詞：儲氫材料;碳質(zhì)材料;儲氫;發(fā)展

當今社會，能源對于人們的生存和發(fā)展都有著非常重要的作用，而隨著社會的發(fā)展，全球能源供應(yīng)日益緊張，同時也帶來了比較大的環(huán)境污染問題。在能源形式和環(huán)境日益惡化的背景下，人們開始開發(fā)可再生的清潔能源。氫能是一種可再生的能源，而且清潔無污染，因此獲得了人們的廣泛關(guān)注，成為了當前研究人員研究的重點內(nèi)容。為了實現(xiàn)氫能的大規(guī)模應(yīng)用，一方面要實現(xiàn)氫的規(guī)模制備，這是氫能應(yīng)用的基礎(chǔ);另一方面則需要實現(xiàn)氫的規(guī)模儲存，這是氫能應(yīng)用的關(guān)鍵。由于氫在常溫下是氣態(tài)的，其密度僅為空氣的1/14，因此氫能的儲存比較困難，如何實現(xiàn)氫能的存儲成為了當前研究的重點問題。碳質(zhì)材料可以作為儲氫載體，本文對碳質(zhì)材料儲氫技術(shù)進行了介紹。

1 儲氫技術(shù)

儲氫技術(shù)可以分為兩大類，分別是物理儲氫和化學(xué)儲氫。其中，物理儲氫包括液氫儲存、活性炭吸附儲存、碳納米管儲存、高壓儲氫等;化學(xué)儲氫包括金屬氫化物儲存、無機物儲存以及有機液態(tài)氫化物儲存等。為了達到氫能實際應(yīng)用的效果，在實現(xiàn)氫的規(guī)?；瘍Υ娴幕A(chǔ)上，還需要滿足吸放氫條件溫和、較低的儲存成本以及較大的儲氫容量等三方面的特點?；谏鲜鲆螅斍暗闹饕獌浞椒òㄒ夯瘍Υ?、金屬儲存、壓縮儲存和吸附儲存等，這些儲氫方法各有特點，在這些儲存方法中最受關(guān)注的是吸附儲存方法，吸附儲存具有以下幾方面的優(yōu)點：首先，其工作壓力比較低，安全性比較好;其次，儲存容器比較輕，方便運輸和使用;第三，具有較大的形狀選擇余地，最后具有較低的成本，正是由于這些特點，物理吸附儲氫被人們寄予厚望，是目前最具應(yīng)用前景的儲氫方式。在吸附儲氫中，碳吸附材料具有質(zhì)量較強、對少量氣體雜質(zhì)不敏感以及能夠重復(fù)使用等方面的優(yōu)點，這些都是碳吸附材料在儲氫中有著不錯的應(yīng)用效果[1]。

2 碳質(zhì)材料吸附儲氫

2.1 碳納米管吸附儲氫

碳納米管可以用于儲氫，主要是由于其比表面積較大的這一特點，而且對氫有物理和化學(xué)的吸附作用。碳納米管是典型的層狀中空結(jié)構(gòu)，其管徑可以達到納米級，由于其比表面積較大，同時特殊的管道結(jié)構(gòu)及多壁碳管之間的芯部和表面都有大量的分子級細孔，使其具有較強的吸附能力，可以用于氣體的吸附，從而使比較理想的儲氫材料。人們對于碳納米管儲氫進行了比較多的研究，現(xiàn)在主要的方式包括氣固儲氫和電化學(xué)儲氫等兩種。

氣固儲氫是研究可以追溯到1997年，Dillon等人研究了單碳納米管的儲氫性能[2]。隨后人們對氣固儲氫進行了比較多的研究，包括計算單壁碳納米管的管徑在4.0～5.0nm時管內(nèi)氫分子平均數(shù)密度達最大值;測定在不同溫度條件下，氫等離子體和單碳納米管之間的反應(yīng)，并基于此研究氫化后單碳納米管具有的性質(zhì);此外，還有人對于單碳納米管儲氫是的氫化度進行測定。就當前的研究成果而言，單碳納米管儲氫的質(zhì)量比儲氫容量能夠超過7%，明顯超過合金儲氫材料。除了氣固儲氫外，碳納米管另外一種儲氫方式是電化學(xué)法，應(yīng)用這種方法能夠在比較溫和的條件下進行儲氫，常溫常壓就可以實現(xiàn)，可以通過電壓來對儲氫量進行控制。

2.2 碳納米纖維吸附儲氫

碳納米纖維是一種良好的碳質(zhì)儲氫材料，其和碳納米管一樣，都具有非常高的比表面積，能夠?qū)錃馕皆诒砻妫瑫r為氫氣進入碳納米纖維提供通道。相較于氫分子的動力學(xué)直徑，碳納米纖維的層間距要大得多，這樣其層面之間就能夠儲存大量的氫氣。碳納米纖維結(jié)構(gòu)也具有中空管，因此具備毛細吸附性能，基于這一性能可以使氫氣凝結(jié)在中空管中，這樣就使得碳納米纖維具有非常好的儲氫能量。研究顯示，碳納米纖維能夠在常溫下實現(xiàn)對于氫氣的吸附和解析，相關(guān)試驗表明其吸附率可以達到9.99w/%，相較于常用的儲氫合金，如LaNi5，碳納米纖維的儲氫能力要強得多。相關(guān)研究人員對于碳納米纖維吸附儲氫進行了大量的研究，最近新研究出一種“碳化雞毛纖維”的新型儲氫方法，這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)氫氣的大量儲存，同時價格非常低廉，使其具有非常好的發(fā)展前景[3]。

2.3 高比表面積活性炭吸附儲氫

活性炭是一種常用的吸附材料，高比表面積活性炭相較于普通的活性炭，比表面積更大，其具有多孔性，具有高度發(fā)達的內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)，使其具有非常大的比表面積，由于這一結(jié)構(gòu)特性，使其吸附能力非常的強[4]。高比表面積活性炭儲氫利用了范德華力，其巨大的表面積和氫分子間具有范德華力，基于這個力其能夠?qū)崿F(xiàn)對于氫氣的吸附，這是一種超臨界氣體吸附。高比表面積活性炭儲氫能力和其表面積和溫度有關(guān)，其表面積越大則能夠吸附更多的氫氣，二者之間呈現(xiàn)出正比例的關(guān)系，溫度對于其吸附氫氣的能力也有比較大的影響，溫度越高，其吸氫能力越弱。相關(guān)研究顯示，應(yīng)用表面積為3000m2/g的超級活性炭進行儲氫，在溫度為-196℃，壓力為 3MPa的情況下，儲氫密度能夠達到5wt %。

2.4 納米石墨吸附儲氫

在近些年的研究中，人們對納米石墨儲氫性能進行了大量的研究，并且取得了比較一定的進展。Orimo S等通過試驗對納米石墨的儲氫能力進行了研究。其在1MPa氫氣氣氛中應(yīng)用機械球磨法來進行納米石墨粉的制備工作，通過實驗發(fā)現(xiàn)，球磨時間越長則納米石墨的儲氫密度也就越大，在球磨時間達到80h以后，其氫密度能夠達到7.4wt%，采用熱分析對其進行分析可以得到兩個峰，解吸溫度在377～677℃。

相關(guān)研究還顯示，采用金屬可以催化石墨的儲氫性能，Isobe等采用試驗的方式對于金屬對于石墨儲氫性能的催化作用進行了研究。其將1wt%的Co、Ni和Cu分別與石墨混合，然后使混合物在不銹鋼球磨罐中進行球磨儲氫;其在球磨進行了32h以后，檢測了物料中的Fe含量。通過試驗，其認為通過Fe的催化作用，可以有效的提高石墨的出儲氫能力。

2.5 富勒烯吸附儲氫

富勒烯吸附氫的原理是其能夠和氫氣發(fā)生反應(yīng)，富勒烯能夠吸附大量氫氣，并與之反應(yīng)生成富勒烯氫化物，或者是形成內(nèi)嵌富勒烯包合物，從而達到儲氫氫氣的效果。氫和富勒烯氫化物之間的反應(yīng)是可逆的，通過加熱，就能夠使富勒烯氫化物或者是內(nèi)嵌富勒烯包合物分解，釋放出氫氣。但是，碳材料表面吸附氫分子的能力比較弱，因此在常溫常壓下，其吸附氫氣的能力很難滿足實際的使用需求，因此相關(guān)研究人員對碳原子進行了表面改性，通過在富勒烯表面覆蓋輕堿土金屬來改變其儲氫性質(zhì)，相關(guān)實驗表明，通過在C60表面覆蓋鈣能夠有效地提升其儲氫密度。

3 結(jié)語

隨著人類社會的發(fā)展，尤其是工業(yè)化的不斷突進，人們對于能源的需求不斷增加，而人們廣泛應(yīng)用的化石能源，包括石油、煤炭和天然氣等是不可再生的，在人們長期開發(fā)和利用的情況下，儲存量不斷下降，導(dǎo)致能源形勢日趨嚴峻，同時化石燃料燃燒會對環(huán)境造成比較大的污染。在這樣的情況下，人們開始開發(fā)清潔可再生的新能源，氫氣是一種具有較高能量和儲量的能源，而且完全沒有污染，因此獲得了人們的廣泛關(guān)注。為了實現(xiàn)氫氣的大規(guī)模應(yīng)用，需要實現(xiàn)規(guī)模化的儲氫，因此人們對儲氫技術(shù)進行了大量的研究。碳質(zhì)儲氫材料具有良好的儲氫性能，因此人們對于其進行了大量的研究，但是當前的研究還處于初級階段，還難以實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，還需要進一步研究，通過加強碳材料儲氫機理研究，對碳材料的制備、后處理和表征技術(shù)技術(shù)研究，提高室溫、常壓下的吸附量，從而實現(xiàn)氫氣的應(yīng)用。

參考文獻：

[1]朱富慧.儲氫材料發(fā)展現(xiàn)狀[J].中國科技博覽，2014（26）： 291-291.

[2]劉美琴，李奠礎(chǔ)，喬建芬，等.氫能利用與碳質(zhì)材料吸附儲氫技術(shù)[J].化工時刊，2013（11）：39-42.

[3]曲海芹，婁豫皖，杜俊霖，等.碳質(zhì)儲氫材料的研究進展[J].材料導(dǎo)報，2014，028（013）：69-71，77.

[4]楊明，王圣平，張運豐，等.儲氫材料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].硅酸鹽學(xué)報，2011，039（007）：1053-1060.

作者簡介：

耿文博（1999- ），男，漢族，河北保定人，本科在讀，學(xué)生，專業(yè)：材料化學(xué)，學(xué)校：內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，材料化學(xué)專業(yè)。