碳納米管吸附儲氫及其儲氫量影響因素淺析

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1、碳納米管吸附儲氫及其儲氫量影響因素淺析文滔，王震（南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院江蘇南京210093）摘要：本文在簡單介紹傳統(tǒng)儲氫方式的儲氫機理，并對它們的優(yōu)缺點進(jìn)行了比較說明的基礎(chǔ)上，著重對碳質(zhì)納米材料儲氫機制、儲氫量影響因素進(jìn)行了淺析，并對今后碳質(zhì)儲氫的科研方向做了展望分析。關(guān)鍵詞：儲氫；碳質(zhì)；碳納米管；儲氫機制；展望1.1研究背景如今，經(jīng)濟高速發(fā)展，化石能源大量消耗，導(dǎo)致的環(huán)境問題以及能源短缺的問題日益嚴(yán)重。能源問題與社會高速發(fā)展需求之間的矛盾日益突出。氫氣是一種潔凈的二次能源，它來源廣泛，能源轉(zhuǎn)化

2、方便而效率高，對環(huán)境的污染小，能夠循環(huán)再生等，逐漸成為人類未來的理想的能源載體。如今，在氫能源開發(fā)利用方面，存在著兩大難題，一是氫氣的規(guī)?；迫?，二是氫氣的存儲。其中，儲氫是氫能實現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用的基礎(chǔ)。然而，缺少方便有效的儲氫材料和儲氫技術(shù)，直接導(dǎo)致了氫能廣泛應(yīng)用受阻。因此，要實現(xiàn)氫氣作為能源載體的應(yīng)用，必須解決氫的儲存問題。傳統(tǒng)的液態(tài)、固態(tài)形式的儲氫或高壓氣瓶儲氫既不經(jīng)濟又不安全。儲氫合金的出現(xiàn)為氫的出現(xiàn)開辟了一條新的途徑。有機液體氫化物的儲存技術(shù)以其儲氫量大、能量密度高、儲存安全方便等優(yōu)點引起了

3、很多國家的關(guān)注，被認(rèn)為是未來儲運氫能的有效手段之一。近期，由于納米材料的研究熱潮的帶動，以碳和納米碳材料進(jìn)行除氫成為新的研究熱點。2.1傳統(tǒng)儲氫材料與儲氫技術(shù)本文對幾種主要的儲氫材料的性能及其發(fā)展加以介紹、討論。從而更好地將傳統(tǒng)儲氫方式與本文將要淺析的碳納米管儲氫方式做比較。1.離子型氫化物離子型氫化物事一種早期的儲氫材料。其儲氫原理是：堿金屬與氫反應(yīng)生成離子型氫化物，這種氫化物受熱又可分解放出氫氣。離子型氫化物一般只用作還原劑和少量供氫，特別是在水下應(yīng)用，由于氣體產(chǎn)物只有氫氣而具有的獨特的應(yīng)用

4、優(yōu)點。但在規(guī)?；瘧?yīng)用前景上并不樂觀。2.儲氫合金儲氫合金是指在一定溫度和氫氣的壓力下，能可逆的大量吸收、儲存和釋放氫氣的金屬間化合物。儲氫量大、無污染、安全可靠，并且制備技術(shù)和工藝相對成熟。合金類儲氫材料較易大規(guī)模生產(chǎn)，成本較低是目前應(yīng)用最為廣泛的儲氫材料。目前研究的重點是合金材料的改進(jìn)和可以吸附氫的輕金屬合金材料。儲氫合金主要分為：鎂系（A2B型）、稀土系（AB5型）、鈦系（AB型）、鋯系（A2B型）。2.1鎂系鎂系以Mg2Ni為代表。鎂系合金成本低，在儲氫合金中儲氫能力最高。但其吸放氫溫度較

5、高且耐腐蝕性較差，現(xiàn)在多用合金元素的部分取代、表面處理機合金粉末的表面包覆、機械球磨得手段加以改進(jìn)2.2稀土系以LaNi5為代表，具有儲氫速度快、易活化等優(yōu)點，但在儲氫性能和成本方面不是很理想?，F(xiàn)在多采用以Mm(混合稀土)、Ca、Ti等部分置換La，并以CO、AL、Mn、Sn等置換部分Ni的多元合金改善其性能。2.3鈦系以TiFe為代表。其最大的優(yōu)點是儲氫性能與稀土系相多近（儲氫重量分?jǐn)?shù)為1.8%~4%）且成本較低，但不易活化、易受CO氣體毒化，而且室溫平衡壓太低氫化物不穩(wěn)定。因此，現(xiàn)在多采用N

6、i等金屬部分取代Fe形成三元合金以實現(xiàn)常溫活化。2.4鋯系以ZrMn2為代表。改合金具有吸放氫量大、易于活化、熱效應(yīng)小等優(yōu)點。鋯系合金具有豐富的相結(jié)構(gòu)，其各相的作用機理及其協(xié)同效應(yīng)是目前正在研究的熱點。采用Ti代替部分Zr，并用Fe、Co、Ni等代替部分V、Cr、Mn等研制的多元鋯系儲氫合金性能更優(yōu)。1.有機液體氫化物儲氫有機液體氫化物儲氫劑主要有苯和甲苯兩種。其儲氫原理是：氫氣通過苯（或甲苯）反應(yīng)寄存在環(huán)己烷（或甲基環(huán)己烷）載體中，該載體通過催化脫氫又可釋放被寄存的氫。其中脫氫反應(yīng)時實現(xiàn)該技術(shù)

7、的關(guān)鍵。有機液體氫化物載體在常溫、常壓下呈液態(tài)，其儲存運輸簡單易行。有機液體氫化物儲氫技術(shù)吸、放氫工藝復(fù)雜，有機化合物循環(huán)利用率低，釋氫效率（特別釋低溫釋氫效率）還有待提高，還有許多技術(shù)問題尚未解決，但是，此類材料具有儲氫量大（環(huán)己烷和甲基環(huán)己烷的理論儲氫量分別為7.19%和6.16%）、能量密度高、儲運安全方便的優(yōu)點，被認(rèn)為在未來規(guī)?；瘍\氫能方面有廣闊的發(fā)展前景。下面附上各種氫氣儲存材料的優(yōu)劣比較：幾種儲氫方式的優(yōu)缺點比較對于前邊所介紹到的各種傳統(tǒng)儲氫方式，無論是氣高壓、液氫還是金屬氫化物儲

8、氫，都無法同時達(dá)到重量儲氫密度高于6.5%，并且體積儲氫密度高于63kg·m-3的指標(biāo)。因此，我們有必要對最新的材料進(jìn)行研究，分析它們儲氫的可行性，這樣，才能把氫能開發(fā)利用落到實處。好在，近幾年碳納米管的出現(xiàn)，給新材料儲氫帶來了新的契機。碳納米管于1991年由日本筑波NEC實驗室的飯島首次發(fā)現(xiàn)。碳納米管的發(fā)現(xiàn)，可以說這又在碳質(zhì)納米材料研究領(lǐng)域進(jìn)了一大步，由于其獨特的結(jié)構(gòu)，帶來了全新的性質(zhì)，使其在工業(yè)中擁有了潛在的應(yīng)用價值。3.1碳納米管結(jié)構(gòu)眾所周知，物質(zhì)的結(jié)構(gòu)在很大程度上決定了該物質(zhì)的性質(zhì)，無論