吸附儲(chǔ)氫材料的研究進(jìn)展

吸附儲(chǔ)氫材料的研究進(jìn)展

1儲(chǔ)氫新技術(shù)的優(yōu)勢(shì)隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，能源問題已成為全世界的中心。傳統(tǒng)的化石能源屬于不可再生資源,加之其有限性,正在逐漸走向枯竭。并且由于使用化石能源造成的環(huán)境污染也日趨嚴(yán)峻,已經(jīng)影響到人類的正常生活和工作。近兩年來,我國(guó)部分地區(qū)連續(xù)爆發(fā)霧霾天氣,據(jù)調(diào)查分析,在機(jī)動(dòng)車尾氣排放、燃煤產(chǎn)生的CO氫作為一種理想的新能源,具有以下的優(yōu)勢(shì):第一,重量最輕:標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,密度為0.0899g/L。第二,高熱值:氫的發(fā)熱值為142.35kJ/g,是汽油發(fā)熱值的3倍。第三,無毒無污染:燃燒后生成產(chǎn)物是水,不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫等污染物質(zhì),可以最大限度地減少對(duì)環(huán)境的污染。第四,多種形態(tài)存在:可以以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)形式存在,能夠在不同的環(huán)境下儲(chǔ)存。第五,損耗小:可以避免高壓遠(yuǎn)距離輸電造成的能量損失,并且可以反復(fù)循環(huán)使用。氫能作為綠色的清潔能源,有如此多的優(yōu)勢(shì),因此成為未來最具有發(fā)展?jié)摿Φ哪茉粗?已引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。然而迄今為止,氫能仍然未能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。隨著科技的發(fā)展,目前制備氫已不再是難題。然而由于氫氣特殊的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì),現(xiàn)在氫能使用最主要瓶頸是氫的存儲(chǔ),氫氣的存儲(chǔ)是氫能使用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。近年來,由于吸附儲(chǔ)氫具有安全可靠、儲(chǔ)存效率高、能夠在溫和條件下吸附/解吸附氫氣等特點(diǎn)而迅速發(fā)展。目前吸附儲(chǔ)氫材料研究的熱點(diǎn)是多孔的納米材料,如沸石、分子篩、碳納米管、富勒烯、硅納米管、活性炭、碳?xì)饽z、金屬有機(jī)骨架材料(MOFs)、共價(jià)有機(jī)材料(COFs)等。有機(jī)化合物儲(chǔ)氫,其優(yōu)點(diǎn)是儲(chǔ)氫量高、安全和儲(chǔ)運(yùn)方便,不足之處是化學(xué)反應(yīng)難以控制,距離商業(yè)化應(yīng)用還有很遠(yuǎn)距離。傳統(tǒng)的壓縮儲(chǔ)氫和液化儲(chǔ)氫方式都需要在極端條件下進(jìn)行,耗能嚴(yán)重,安全性差。因此,必須尋找新的高性能固態(tài)儲(chǔ)氫材料來滿足車載系統(tǒng)的要求。2非碳質(zhì)材料的種類多孔固體儲(chǔ)氫材料,由于其具有低密度、高比表面積、優(yōu)異的吸附性能等優(yōu)點(diǎn),成為當(dāng)前儲(chǔ)氫材料開發(fā)和研究的熱點(diǎn)。多孔材料儲(chǔ)氫主要是靠孔表面和氫氣分子發(fā)生相互作用,通過VanderWaals(VDW)相互作用吸附氫氣。根據(jù)國(guó)際理論與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(InternationalUnionofPureandAppliedChemistry,IUPAC)的分類,按照孔徑的大小多孔材料可以分為三類,微孔材料:孔徑小于2nm;介孔材料:孔徑介于2~50nm之間;大孔材料:孔徑大于50nm。下面我們介紹幾種主要的多孔儲(chǔ)氫材料。2.1碳基多孔材料在吸附儲(chǔ)氫材料中,碳基材料主要包括活性炭、碳納米管、碳納米線、富勒烯、石墨烯、碳?xì)饽z等。2.1.1活性炭活性炭(activecarbon)是由微晶碳不規(guī)則排列,在交叉之間形成細(xì)孔的多孔碳材料2.2.2碳納米管1991年,日本NEC公司的Iihima從電弧放電法生產(chǎn)的碳纖維中首次發(fā)現(xiàn)了碳納米管,由于其具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征,而引起廣泛關(guān)注2.2.3碳?xì)饽z多孔的碳?xì)饽z,具有豐富的納米級(jí)孔洞(1~100nm)、高的孔隙率(>80%)、超高的比表面積(400~3200m2.2.4碳的同素異形體富勒烯(Fullerene)是一種碳的同素異形體,在富勒烯的結(jié)構(gòu)中存在六元環(huán)和五元環(huán),是一種球型的籠狀結(jié)構(gòu)。自從1985年發(fā)現(xiàn)C2.2非碳?xì)鋬?chǔ)層材料納米管是一類極具潛力的儲(chǔ)氫材料,除碳納米管外,BN、AlN、TiS2.3比表面積和微孔體積沸石分子篩是由硅鋁酸鹽構(gòu)成的一種水合結(jié)晶。有整齊的孔道結(jié)構(gòu),分子大小的孔徑尺寸、高的比表面積和微孔體積。由于這些特殊的性質(zhì),沸石現(xiàn)已被廣泛用作吸附劑、離子交換劑和催化劑、以及氣體的凈化污水的處理等諸多方面。沸石按照孔道特征可以分為一維、二維、三維體系。雖然沸石有高的孔隙率、比表面積,但是至今為止文獻(xiàn)中所報(bào)道的吸附氫氣量很低。Nijkamp等人2.4金屬-有機(jī)框架材料金屬有機(jī)框架(Metal-OrganicFrameworks,MOFs),又稱為金屬有機(jī)配位聚合物(MetalOrganicCoordinationPolymer,MOCP),是一類有機(jī)-無機(jī)雜化材料,由有機(jī)配體和無機(jī)金屬單元構(gòu)成的一維、二維或者三維結(jié)構(gòu)的聚合物。金屬-有機(jī)框架材料一般具有多變的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及物理化學(xué)性質(zhì)。MOFs孔穴的大小、形狀以及構(gòu)成等可以通過選擇不同的配體和金屬離子,或者改變合成策略加以調(diào)節(jié)。MOFs材料在氣體的儲(chǔ)存、分離、催化、磁性、非線性、發(fā)光,特別是在低溫儲(chǔ)氫方面的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注。MOFs作為新興儲(chǔ)氫材料是最近十幾年來才被報(bào)道的,用作儲(chǔ)氫材料的MOFs和一般的MOFs相比較有更高的比表面積。美國(guó)密歇根大學(xué)Yaghi教授組2.5cofs的儲(chǔ)氫性能2007年,Yaghi及其合作者目前,關(guān)于COFs儲(chǔ)氫性能的報(bào)道并不多。表2總結(jié)出了部分COFs的儲(chǔ)氫量。如表2所示,Tilford等人3多孔納米材料的應(yīng)用除了以上我們所介紹的各種儲(chǔ)氫材料之外,研究者們?cè)O(shè)計(jì)的各種復(fù)合型納米材料或者金屬摻雜的多孔納米材料也有不少的報(bào)道。這類材料主要是避免材料本身的缺點(diǎn),發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì),提高復(fù)合型納米多孔材料的儲(chǔ)氫密度和儲(chǔ)氫性能。HanSS小組4進(jìn)一步推進(jìn)農(nóng)村基層黨組織建設(shè)到目前為止