新型活性炭节能储氢技术作用研究

    新型活性炭节能储氢技术作用研究     

    能量的存储是一种新型节能技术，是国内外广大专家学着的研究热点之一，其研究的主要方法包括力学、电磁、电化学等。其中含能物质（如氢气、天然气等）的有效存储、锂离子电池和超高电容器的储能材料的研究，尤其受到科技工作者的高度关注。多孔炭质材料具有的超大比表面积和极强吸附力的特性，赋予其友谊的储能活性。对于优异性能的储能材料，具有适宜的表面积和孔隙结构是储能容量大小的关键。通过改性技术调整其孔径、孔容分布以及表面化学官能团，获得具有理想结构和理化性质的多孔炭材料，可进一步提高多孔炭材料储能密度。同时，多孔炭质材料具有质轻、对少量杂质不敏感、可重复使用的有点，其作为储能材料已被认为有光明的应用前景。活性炭是多孔炭的代表，具有各种各样的形态如粉末状、颗粒状、纤维状等。通过对含碳材料进行高温和活化剂（如氧化性气体和化学活化剂）反应处理，从而赋予炭材料发达的微细孔，使得活性炭材料具有更大的比表面积和发达的孔结构。这种材料通常作为储能材料的优良吸附剂，下面我们就活性炭在储氢和电化学方面的应用作一介绍。
    活性炭的储氢技术
    1.吸附原理
    吸附是物质在相的界面上浓度发生变化的现象。物质在表面层的浓度大于内部浓度的吸附称为正吸附，反之，表面层的浓度小于内部浓度的吸附成为负吸附，已被吸附的原子或分子，返回到气相中的现象成为解吸或脱附。
    吸附作用仅仅发生在两相交界面上，它是一种表面现象。一切固体都具有不同程度的将周围介质的分子、原子或离子吸附到自己表面上的能力。固体表面之所以能够吸附其它介质，就是因为固体表面具有过剩的能量，即表面自由焓。吸附其他物质是朝向减低表面自由焓的方向进行的，它是一个自发的过程。
    在物理吸附过程中，吸附剂与吸附质表面之间是范德华力。当吸附质和吸附剂分子的间距大于二者零位能的分子间距时，范德华力发生作用，使吸附质分子落入吸附剂分子的浅位阱处，放出吸附热，发生物理吸附。
    发生化学吸附时，被吸附分子与吸附剂表面原子发生化学作用，这是生成表面络合物的过程。当一个正常的不作表面运动的气体分子和固体吸附剂发生碰撞时，如果所发生的是非弹性碰撞，则气相和固相均发生不可察觉的变化。化学变化的起因是非弹性碰撞和俘获。气相分子向固相转移能量，是导致非弹性碰撞的直接原因，而固体表面势阱的存在是非弹性碰撞存在的先决条件。当气态分子与表面碰撞损失的能力超过某一个临界值之后，分子将没有能力爬出表面势阱而被俘获。被俘获的分子就在固体表面进行一系列变化，如表面迁移、表面重构、吸附态的转变等，从而发生化学吸附。在化学吸附中，吸附质和吸附剂之间产生离子键、共价键等化学键。它们比范德华力大1~2个数量级。因此，吸附质分析必须克服浅位阱和深位阱之间的位垒，也就是化学吸附的活化能，然后进入深位阱。此时吸附反应将能放出较大的化学热而产生化学吸附。
    物理吸附的特点是，吸附作用比较小，吸附热小，可以对多层吸附质产生作用。化学吸附的特点恰恰相反，它的吸附作用强，吸附热大，吸附具有选择性，需要客服活化能。一般只吸附单层，吸附和解析的速度比较慢。
    2.吸附技术应用于氢能源储存
    氢能源在宇航事业中的应用已有相当长的历史，且其使用效果相当显著。从第二次世界大战末期的开发研究，20世纪50年代航天飞机上的使用，60年代在火箭发动机中的成熟经验，直至近年来在航天飞机和未来轨道飞机与民航机中的推广应用，充分显示出它强大的活力。
    氢位于元素周期表之首，它质量小，在常温小为无色、无味的气体，且储量丰富、发热值高、燃烧性能好、点燃快、燃烧产物无污染，被看作未来理想的洁净能源，受到各国政府和科学家的高度重视。由于氢气极易着火、爆炸，因此要想有效利用能源，解决氢能的储存和运输就成为开发利用氢能的核心技术。在航天领域中应用的氢，都是在高压下液化储存的，这样不仅费用昂贵，而且非常不安全，因此研制在较低温度和压力下，方便、高效的储存和释放氢能的材料是科学工作者一直追求的目标。
    氢气的存储可分为物理和化学两种方法：物理法有液氢存储、高压氢气存储、活性炭吸附存储、纳米碳存储；化学法主要有金属氰化物吸附存储、无机物存储等。
    相比而言，液化储氢能耗较大，而金属氰化物单位重量的储氢能力较低，新型吸附剂如碳纳米技术的难点，在与选用合适的催化剂。此外，优化碳纳米的制造方法和降低成本，都是尚未解决的问题。
    3.活性炭储氢
    木材炭化获得多孔炭或活性炭，很久以来被人们用于制药和净化，而随着第一次世界大战的爆发，出现了对防毒面具的需求，活性炭的气体分离能力和储气能力开始得到高度重视。初人们采用普通活性炭吸附储氢，活性炭是经活化的多孔、有大内表面积和孔容积，以炭素为主要构成元素的具有高表面活性炭的炭。活性炭具有像石墨晶粒却无规则排列的微晶，在活化过程中微晶间产生了形状不同、大小不一的孔隙，这些孔隙特别是小于20nm的微孔，提供了巨大的表面积，微孔的孔隙溶剂一般为0.25~0.9ml/g，孔隙数量约为1020个/g,全部微孔表面积约为500~1500㎡/g。微孔是决定活性炭吸附性能高低的条件较苛刻，即使在低温下储氢量也很低，不到1%，室温下更低。因此，活性炭作为储氢材料的应用受到限制。
    后来人们采用比表面积过大，孔径更小、更均匀的超级活性炭（比表面积约在2000㎡/g以上）作为储存燃料气体的主要载体，用比表面积高达3000㎡/g的超级活性炭储氢，在77K、3MPa条件下可吸氢。氢在超级活性炭上的吸附量，随压力升高而显著增加，氢存储容量越大。
    氢气在活性炭上的吸附是一种物理过程。温度恒定时，加压吸附，减压脱附。从实测吸附等温线看，脱附线与吸附线重合，没有滞留效应，即在给定的压力区间内，增压时吸氢量与减压时的放氢量相等。吸氢与放氢仅仅取决与亚利的变化。
    储氢炭材料主要有单壁纳米碳管（SWNT）、多壁纳米碳管（MWNT）、碳纳米纤维（CNF）、碳纳米石墨、高比表面积活性炭、活性炭纤维（ACF）和纳米石墨等。目前研究的重点是MWNT、CNF和高比表面积活性炭等炭材料的储氢。

    《新型活性炭节能储氢技术作用研究》源自：http://www.hxtcj.cn