碳基儲氫材料|有機物儲氫材料|儲氫合金|配位氫化物儲氫材料的儲氫原理及其應用

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

碳基儲氫材料是一種新型的儲氫材料，碳基儲氫材料主要有活性碳儲氫材料，碳纖維儲氫材料、碳納米管儲氫材料。碳基儲氫材料主要是利用其獨特的內部結構，通過物理和化學吸附來儲氫的，介紹碳基儲氫材料的相關背景，并對比多種當今世界上**流行的儲氫方法；簡述了碳基儲氫料儲氫機理，同時分析了影響儲氫量的主要因素，總結了碳基儲氫材料在工業(yè)生產(chǎn)的實際應用。

儲氫材料可以大致劃分為四大類：碳基儲氫材料、有機物儲氫材料、儲氫合金，配位氫化物儲氫材料。碳基儲氫材料主要包括有活性碳儲氫材料，碳纖維儲氫材料、碳納米管儲氫材料。 有機物儲氫材料用的：一些有機物的氫化物、苯、甲苯、甲基環(huán)己烷、萘等儲氫合金主要包括：鎂系，稀土系，鈦系，Laves相系配位氫化物儲氫材料：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]。

  活性碳儲氫材料

活性炭儲氫材料被發(fā)現(xiàn)于20世紀中后期，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，壓強偏大的情形下可以大量吸附氫氣的原理。活性炭（AC）的結構是疏松多孔的，所以內部比表面積很大，活性炭儲氫特點是抗酸和抗堿性都非常的強，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構基本上沒有發(fā)生變化、在溫度波動較大的情況下，依然可以保持其相對穩(wěn)定的物理化學結構，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，微孔的構成主要是毛細管壁，不同大小的孔，它的構成也會有較大的不同，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到吸附點的通道和控制吸附速度的開關。第三類是孔徑在50nm以上的大孔，它的作用和中孔是一樣的。活性炭儲氫技術和其他技術相比，它具有儲量高，價格低，可大批量生產(chǎn)的特點，所以也是一種**有潛力的儲氫技術。

碳纖維儲氫材料

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。由于反應條件的差異，它也可以產(chǎn)生三類結構互異的石墨納米纖維，它們分別是平板狀，魚骨狀和管狀。美國科學家Chambers等人在常溫和壓強11.35mpa的條件下，成功測出了這三類石墨納米纖維的儲氫量分別是53 wt% 、11 wt% 、67 wt%。但是到現(xiàn)在為止沒人可以重復這個結果。Angela等人對石墨納米纖維進行了多種預處理，在長期的實驗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7.04mpa的條件下得過儲氫較大質量分數(shù)也只有3.08%。因而很多科學家認為石墨納米纖維不可能高度儲氫。

碳納米纖維是一種由石墨層和內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的細孔，內部存在有直徑10nm左右的中空管，它的比表面積很大。大量的氫氣可以儲存在納米管中，所以可能有超強的儲氫能力。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，在常溫和壓強為11mpa的條件下它的吸氫量在實驗中可以達到質量分數(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，其儲氫的質量分數(shù)也可以達到10%。范月英采用流動催化的方法，在常溫和壓強12mpa的條件下測出了它的儲氫質量分數(shù)為13.6%。20世界90年初，日本科學家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，因為它是一種手性材料，即具有電磁場交叉極化的特點，所以它可以成為儲氫材料，也在其他許多領域有廣泛的使用。上面很多數(shù)據(jù)都達到了美國能源局的標準，但還是沒有被人從實驗和理論證明過。所以還存在這很多實際問題需要解決。

碳納米管材料

碳納米管是日本物理學家飯島澄男于1991年通過使用高分辨率的分析電鏡在生產(chǎn)碳纖維的時候發(fā)現(xiàn)的。碳納米管是一類擁有特殊結構的一維材料:它是一種特殊的管狀的結構的碳分子，其中每個原子都是sp2雜化的，它們之間是通過碳-碳鍵結合起來的，構成以六邊形狀的蜂窩結構為骨架的碳基材料[4]。因為碳納米材料在力學，電學等中有很多優(yōu)良的性質，所以很快的成為了許多前沿科技的研究對象。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，它的儲氫量也非常的大是許多傳統(tǒng)的儲氫材料無法比擬的。因而很快成為了儲氫材料中的新貴。

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。按結構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。又因為氫氣分子的力學直徑只有0.289nm，小于層間距，所以它可以吸附氫氣。因為納米管內部有不計其數(shù)的尺度不一的微孔，在氫氣接觸到納米管表面的時候，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作用，氫氣被壓到了內部的微孔中，變成了固態(tài)。所以納米管這種材料才可以儲存如此龐大的氫量，其儲氫的性能遠遠超過了傳統(tǒng)的很多材料，如活性炭。另一邊方面碳納米管內部的層板與氫氣的結合比較松動，當外面的壓力出現(xiàn)變動時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（大約半小時左右）。

很多科學家對納米管的儲氫進行了很多的研究，美國的科學家Dillon率先對沒有經(jīng)過任何提純的SWNT（單壁碳納米管）進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）得到一系列的相關數(shù)據(jù)，他們推測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。遠遠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，他們認為單壁碳納米管是世界上較好的儲氫材料之一。中國沈陽材料科學國家（聯(lián)合）實驗室的劉暢教授在非常高溫的條件下用鹽酸對單壁納米管進行處理真空處理，在溫度為25度，壓強是12mpa的條件下，得的其儲氫的質量分數(shù)大約4~5%。 絕大部分的科學家都表示納米管的吸附量和其內部結構有許多聯(lián)系和一些制方法，催化劑有關。它的許多優(yōu)良性能和良好的儲氫能力使其成為重點的研究對象。

石墨烯

石墨烯是一種由碳原子構成六角形的單層片的新材料。它原子之間主要是碳-碳δ 鍵結合在一起的，通過sp2軌道雜合在一起的。石墨烯一直被認為是假設性的結構，無法單獨穩(wěn)定存在，直至2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，而證實它可以單獨存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實驗”，共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。；石墨烯目前是世上較薄卻也是較堅硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；導熱系數(shù)高達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]。

石墨烯的分子結構**穩(wěn)定，因為其內部的原子的連接的**的柔韌，在外部施加不超過其較大承受壓力的時候，他們可以利用碳原子面變形來適應外力，而不必再通過重新排列。所以是石墨烯的結構**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。本文把石墨烯單獨作為一個內容來寫，主要是石墨烯和生活生產(chǎn)很接近。且具有一定的獨立性，可以通過對石墨烯的研究來跟家全面的認識碳基儲氫材料。

二維的石墨烯是世界公認的較理想的儲氫材料之一，隨著石墨烯可以工業(yè)化生產(chǎn)，為石墨烯可以用于儲氫提供了條件。由于氫氣和石墨烯本身結合**的弱，是屬于傳統(tǒng)的物理吸附。這個問題成為了石墨烯出清的另一個難題。直到2005年參雜的提出才是這個問題出現(xiàn)了解決方法。為了能夠解決這個難題，很多科學家在不停努力著。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，摻雜濃度越大相互作用也就越大。湘潭大學教授鐘建新通過對摻雜過Mn的雙層石墨烯研究發(fā)現(xiàn)摻雜可以改變片層的間距。加強其儲氫的能力。可以通過加大層間距可以加大儲氫能力是雙層石墨烯也成為了比較理想的額儲氫材料。

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

wyf 04.20