碳基儲(chǔ)氫材料|有機(jī)物儲(chǔ)氫材料|儲(chǔ)氫合金|配位氫化物儲(chǔ)氫材料的儲(chǔ)氫原理及其應(yīng)用

   隨著碳基材料的問世，它的應(yīng)用就一直**的廣泛。它不僅在電子方面有**重要的作用，而且它在電子領(lǐng)域和清潔能源的儲(chǔ)氫方面都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

碳基儲(chǔ)氫材料是一種新型的儲(chǔ)氫材料，碳基儲(chǔ)氫材料主要有活性碳儲(chǔ)氫材料，碳纖維儲(chǔ)氫材料、碳納米管儲(chǔ)氫材料。碳基儲(chǔ)氫材料主要是利用其獨(dú)特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過物理和化學(xué)吸附來儲(chǔ)氫的，介紹碳基儲(chǔ)氫材料的相關(guān)背景，并對(duì)比多種當(dāng)今世界上**流行的儲(chǔ)氫方法；簡述了碳基儲(chǔ)氫料儲(chǔ)氫機(jī)理，同時(shí)分析了影響儲(chǔ)氫量的主要因素，總結(jié)了碳基儲(chǔ)氫材料在工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際應(yīng)用。

儲(chǔ)氫材料可以大致劃分為四大類：碳基儲(chǔ)氫材料、有機(jī)物儲(chǔ)氫材料、儲(chǔ)氫合金，配位氫化物儲(chǔ)氫材料。碳基儲(chǔ)氫材料主要包括有活性碳儲(chǔ)氫材料，碳纖維儲(chǔ)氫材料、碳納米管儲(chǔ)氫材料。 有機(jī)物儲(chǔ)氫材料用的：一些有機(jī)物的氫化物、苯、甲苯、甲基環(huán)己烷、萘等儲(chǔ)氫合金主要包括：鎂系，稀土系，鈦系，Laves相系配位氫化物儲(chǔ)氫材料：主要是由堿金屬（Li,Na,K）或堿土金屬（Mg,Ca）與第三主族元素（B,Al），常見的主要有LiAlH4，LiBH4，NaBH4，KBH4[3]。

  活性碳儲(chǔ)氫材料

活性炭儲(chǔ)氫材料被發(fā)現(xiàn)于20世紀(jì)中后期，它主要是根據(jù)活性碳的比表面積非常高，在滿足是溫度較為緩和，壓強(qiáng)偏大的情形下可以大量吸附氫氣的原理�；钚蕴浚�AC）的結(jié)構(gòu)是疏松多孔的，所以內(nèi)部比表面積很大，活性炭儲(chǔ)氫特點(diǎn)是抗酸和抗堿性都非常的強(qiáng)，可吸附量也**大，釋放和吸附容易，在溫度較高的情況下，其解吸再生的晶體結(jié)構(gòu)基本上沒有發(fā)生變化、在溫度波動(dòng)較大的情況下，依然可以保持其相對(duì)穩(wěn)定的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)，即使經(jīng)過多次解吸操作后依然可以保持本身的吸附性能不發(fā)生較大的變化[7]。

活性炭中間存在著許多大小和形狀的不同的小孔，根據(jù)孔的大小可以大致可以分為3類：一類是孔徑小于2nm的微孔，它又可以分為2類孔：孔徑0.7~2nm的超微孔和孔徑小于0.7nm的極微孔，微孔的構(gòu)成主要是毛細(xì)管壁，不同大小的孔，它的構(gòu)成也會(huì)有較大的不同，所以材料的表面積和吸附量都**的大。**類是2~50nm的中孔，它的基本作用就是作為被吸附分子達(dá)到吸附點(diǎn)的通道和控制吸附速度的開關(guān)。第三類是孔徑在50nm以上的大孔，它的作用和中孔是一樣的�；钚蕴績�(chǔ)氫技術(shù)和其他技術(shù)相比，它具有儲(chǔ)量高，價(jià)格低，可大批量生產(chǎn)的特點(diǎn)，所以也是一種**有潛力的儲(chǔ)氫技術(shù)。

碳纖維儲(chǔ)氫材料

石墨納米纖維材料是某些碳化物經(jīng)過催化劑作用在高溫下條件下，催化分解而產(chǎn)生的。由于反應(yīng)條件的差異，它也可以產(chǎn)生三類結(jié)構(gòu)互異的石墨納米纖維，它們分別是平板狀，魚骨狀和管狀。美國科學(xué)家Chambers等人在常溫和壓強(qiáng)11.35mpa的條件下，成功測(cè)出了這三類石墨納米纖維的儲(chǔ)氫量分別是53 wt% 、11 wt% 、67 wt%。但是到現(xiàn)在為止沒人可以重復(fù)這個(gè)結(jié)果。Angela等人對(duì)石墨納米纖維進(jìn)行了多種預(yù)處理，在長期的實(shí)驗(yàn)中取得了非常好的效果，其中效果較好的就是在為室溫，壓強(qiáng)7.04mpa的條件下得過儲(chǔ)氫較大質(zhì)量分?jǐn)?shù)也只有3.08%。因而很多科學(xué)家認(rèn)為石墨納米纖維不可能高度儲(chǔ)氫。

碳納米纖維是一種由石墨層和內(nèi)管的軸成一定的角度而且其直徑小于1000nm的碳纖維。它的表面存在很多分子級(jí)的細(xì)孔，內(nèi)部存在有直徑10nm左右的中空管，它的比表面積很大。大量的氫氣可以儲(chǔ)存在納米管中，所以可能有超強(qiáng)的儲(chǔ)氫能力。Fan等人成功的制備出了兩類直徑大約是;一類80nm左右的新型的氣相生長的納米纖維材料。不經(jīng)任何處理，在常溫和壓強(qiáng)為11mpa的條件下它的吸氫量在實(shí)驗(yàn)中可以達(dá)到質(zhì)量分?jǐn)?shù)的12%左右。**類碳納米纖維直徑是90~125nm，在經(jīng)過酒精和鹽酸的共同作用，其儲(chǔ)氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也可以達(dá)到10%。范月英采用流動(dòng)催化的方法，在常溫和壓強(qiáng)12mpa的條件下測(cè)出了它的儲(chǔ)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.6%。20世界90年初，日本科學(xué)家motojima利用金屬鎳作為催化劑，制得了一種新型的螺旋形炭纖維，因?yàn)樗�是一種手性材料，即具有電磁場(chǎng)交叉極化的特點(diǎn)，所以它可以成為儲(chǔ)氫材料，也在其他許多領(lǐng)域有廣泛的使用。上面很多數(shù)據(jù)都達(dá)到了美國能源局的標(biāo)準(zhǔn)，但還是沒有被人從實(shí)驗(yàn)和理論證明過。所以還存在這很多實(shí)際問題需要解決。

碳納米管材料

碳納米管是日本物理學(xué)家飯島澄男于1991年通過使用高分辨率的分析電鏡在生產(chǎn)碳纖維的時(shí)候發(fā)現(xiàn)的。碳納米管是一類擁有特殊結(jié)構(gòu)的一維材料:它是一種特殊的管狀的結(jié)構(gòu)的碳分子，其中每個(gè)原子都是sp2雜化的，它們之間是通過碳-碳鍵結(jié)合起來的，構(gòu)成以六邊形狀的蜂窩結(jié)構(gòu)為骨架的碳基材料[4]。因?yàn)樘技{米材料在力學(xué)，電學(xué)等中有很多優(yōu)良的性質(zhì)，所以很快的成為了許多前沿科技的研究對(duì)象。碳納米管具有非常大的比表面積，而且它本身擁有大量的微孔，它的儲(chǔ)氫量也非常的大是許多傳統(tǒng)的儲(chǔ)氫材料無法比擬的。因而很快成為了儲(chǔ)氫材料中的新貴。

碳納米管按石墨烯片的層次可以劃分為單壁碳納米管和多壁碳納米管。按結(jié)構(gòu)不同可以劃分成以下3種：手性納米管，扶手椅形納米管和鋸齒形納米管。碳納米管可以產(chǎn)生一些層距大約0.337nm的有斜口的層板。又因?yàn)闅錃夥肿拥牧�學(xué)直徑只有0.289nm，小于層間距，所以它可以吸附氫氣。因?yàn)榧{米管內(nèi)部有不計(jì)其數(shù)的尺度不一的微孔，在氫氣接觸到納米管表面的時(shí)候，其中有部分的氫氣被吸附在其的表面上，還有一部分因受到了毛細(xì)作用，氫氣被壓到了內(nèi)部的微孔中，變成了固態(tài)。所以納米管這種材料才可以儲(chǔ)存如此龐大的氫量，其儲(chǔ)氫的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)的很多材料，如活性炭。另一邊方面碳納米管內(nèi)部的層板與氫氣的結(jié)合比較松動(dòng)，當(dāng)外面的壓力出現(xiàn)變動(dòng)時(shí)它可以很快的再次釋放出吸附的氫氣，而且其速度非常的快（大約半小時(shí)左右）。

很多科學(xué)家對(duì)納米管的儲(chǔ)氫進(jìn)行了很多的研究，美國的科學(xué)家Dillon率先對(duì)沒有經(jīng)過任何提純的SWNT（單壁碳納米管）進(jìn)行了吸附等多種性能的研究。他們是通過使用了程序升溫脫附法（TPD）得到一系列的相關(guān)數(shù)據(jù)，他們推測(cè)在純的單壁碳納米管可以吸附較高的氫（5 wt%~10 wt%）在室溫和40kpa的情況下。遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是活性炭和納米纖維可以比擬的[11]。他們經(jīng)過許多數(shù)據(jù)的分析比對(duì)，他們認(rèn)為單壁碳納米管是世界上較好的儲(chǔ)氫材料之一。中國沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室的劉暢教授在非常高溫的條件下用鹽酸對(duì)單壁納米管進(jìn)行處理真空處理，在溫度為25度，壓強(qiáng)是12mpa的條件下，得的其儲(chǔ)氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大約4~5%。 絕大部分的科學(xué)家都表示納米管的吸附量和其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有許多聯(lián)系和一些制方法，催化劑有關(guān)。它的許多優(yōu)良性能和良好的儲(chǔ)氫能力使其成為重點(diǎn)的研究對(duì)象。

石墨烯

石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成六角形的單層片的新材料。它原子之間主要是碳-碳δ 鍵結(jié)合在一起的，通過sp2軌道雜合在一起的。石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無法單獨(dú)穩(wěn)定存在，直至2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯，而證實(shí)它可以單獨(dú)存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”，共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。；石墨烯目前是世上較薄卻也是較堅(jiān)硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300 W?(M.K)，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過15000，又比納米碳管或硅晶體高，而電阻率只約10-6 Ω·cm，比銅或銀更低，為世上電阻率較小的材料[5]。

石墨烯的分子結(jié)構(gòu)**穩(wěn)定，因?yàn)槠鋬?nèi)部的原子的連接的**的柔韌，在外部施加不超過其較大承受壓力的時(shí)候，他們可以利用碳原子面變形來適應(yīng)外力，而不必再通過重新排列。所以是石墨烯的結(jié)構(gòu)**的穩(wěn)定。石墨烯是許多碳基材料的基本組成單元，例如石墨，碳納米管，富勒烯（C60）和活性碳。本文把石墨烯單獨(dú)作為一個(gè)內(nèi)容來寫，主要是石墨烯和生活生產(chǎn)很接近。且具有一定的獨(dú)立性，可以通過對(duì)石墨烯的研究來跟家全面的認(rèn)識(shí)碳基儲(chǔ)氫材料。

二維的石墨烯是世界公認(rèn)的較理想的儲(chǔ)氫材料之一，隨著石墨烯可以工業(yè)化生產(chǎn)，為石墨烯可以用于儲(chǔ)氫提供了條件。由于氫氣和石墨烯本身結(jié)合**的弱，是屬于傳統(tǒng)的物理吸附。這個(gè)問題成為了石墨烯出清的另一個(gè)難題。直到2005年參雜的提出才是這個(gè)問題出現(xiàn)了解決方法。為了能夠解決這個(gè)難題，很多科學(xué)家在不停努力著。liu利用密度泛函理論和一性原理得出許多理論計(jì)算值。這些數(shù)據(jù)表明摻雜的石墨烯和金屬的相互作用與摻雜濃度有關(guān)，摻雜濃度越大相互作用也就越大。湘潭大學(xué)教授鐘建新通過對(duì)摻雜過Mn的雙層石墨烯研究發(fā)現(xiàn)摻雜可以改變片層的間距。加強(qiáng)其儲(chǔ)氫的能力�？梢酝ㄟ^加大層間距可以加大儲(chǔ)氫能力是雙層石墨烯也成為了比較理想的額儲(chǔ)氫材料。

石墨烯由于在熱學(xué)，電學(xué)，光學(xué)和機(jī)械方面的性能都**的優(yōu)秀。使石墨烯的引用非常的廣泛。它主要的應(yīng)用領(lǐng)域有儲(chǔ)氫材料，納米電子器件，太陽能電池，光子傳感， 減少噪音等。

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