新型活性炭節(jié)能儲(chǔ)氫技術(shù)作用研究     

    能量的存儲(chǔ)是一種新型節(jié)能技術(shù)，是國(guó)內(nèi)外廣大專(zhuān)家學(xué)著的研究熱點(diǎn)之一，其研究的主要方法包括力學(xué)、電磁、電化學(xué)等。其中含能物質(zhì)（如氫氣、天然氣等）的有效存儲(chǔ)、鋰離子電池和超高電容器的儲(chǔ)能材料的研究，尤其受到科技工作者的高度關(guān)注。多孔炭質(zhì)材料具有的超大比表面積和極強(qiáng)吸附力的特性，賦予其友誼的儲(chǔ)能活性。對(duì)于優(yōu)異性能的儲(chǔ)能材料，具有適宜的表面積和孔隙結(jié)構(gòu)是儲(chǔ)能容量大小的關(guān)鍵。通過(guò)改性技術(shù)調(diào)整其孔徑、孔容分布以及表面化學(xué)官能團(tuán)，獲得具有理想結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)的多孔炭材料，可進(jìn)一步提高多孔炭材料儲(chǔ)能密度。同時(shí)，多孔炭質(zhì)材料具有質(zhì)輕、對(duì)少量雜質(zhì)不敏感、可重復(fù)使用的有點(diǎn)，其作為儲(chǔ)能材料已被認(rèn)為有光明的應(yīng)用前景。活性炭是多孔炭的代表，具有各種各樣的形態(tài)如粉末狀、顆粒狀、纖維狀等。通過(guò)對(duì)含碳材料進(jìn)行高溫和活化劑（如氧化性氣體和化學(xué)活化劑）反應(yīng)處理，從而賦予炭材料發(fā)達(dá)的微細(xì)孔，使得活性炭材料具有更大的比表面積和發(fā)達(dá)的孔結(jié)構(gòu)。這種材料通常作為儲(chǔ)能材料的優(yōu)良吸附劑，下面我們就活性炭在儲(chǔ)氫和電化學(xué)方面的應(yīng)用作一介紹。
    活性炭的儲(chǔ)氫技術(shù)
    1.吸附原理
    吸附是物質(zhì)在相的界面上濃度發(fā)生變化的現(xiàn)象。物質(zhì)在表面層的濃度大于內(nèi)部濃度的吸附稱(chēng)為正吸附，反之，表面層的濃度小于內(nèi)部濃度的吸附成為負(fù)吸附，已被吸附的原子或分子，返回到氣相中的現(xiàn)象成為解吸或脫附。
    吸附作用僅僅發(fā)生在兩相交界面上，它是一種表面現(xiàn)象。一切固體都具有不同程度的將周?chē)�介質(zhì)的分子、原子或離子吸附到自己表面上的能力。固體表面之所以能夠吸附其它介質(zhì)，就是因?yàn)楣腆w表面具有過(guò)剩的能量，即表面自由焓。吸附其他物質(zhì)是朝向減低表面自由焓的方向進(jìn)行的，它是一個(gè)自發(fā)的過(guò)程。
    在物理吸附過(guò)程中，吸附劑與吸附質(zhì)表面之間是范德華力。當(dāng)吸附質(zhì)和吸附劑分子的間距大于二者零位能的分子間距時(shí)，范德華力發(fā)生作用，使吸附質(zhì)分子落入吸附劑分子的淺位阱處，放出吸附熱，發(fā)生物理吸附。
    發(fā)生化學(xué)吸附時(shí)，被吸附分子與吸附劑表面原子發(fā)生化學(xué)作用，這是生成表面絡(luò)合物的過(guò)程。當(dāng)一個(gè)正常的不作表面運(yùn)動(dòng)的氣體分子和固體吸附劑發(fā)生碰撞時(shí)，如果所發(fā)生的是非彈性碰撞，則氣相和固相均發(fā)生不可察覺(jué)的變化�；瘜W(xué)變化的起因是非彈性碰撞和俘獲。氣相分子向固相轉(zhuǎn)移能量，是導(dǎo)致非彈性碰撞的直接原因，而固體表面勢(shì)阱的存在是非彈性碰撞存在的先決條件。當(dāng)氣態(tài)分子與表面碰撞損失的能力超過(guò)某一個(gè)臨界值之后，分子將沒(méi)有能力爬出表面勢(shì)阱而被俘獲。被俘獲的分子就在固體表面進(jìn)行一系列變化，如表面遷移、表面重構(gòu)、吸附態(tài)的轉(zhuǎn)變等，從而發(fā)生化學(xué)吸附。在化學(xué)吸附中，吸附質(zhì)和吸附劑之間產(chǎn)生離子鍵、共價(jià)鍵等化學(xué)鍵。它們比范德華力大1~2個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，吸附質(zhì)分析必須克服淺位阱和深位阱之間的位壘，也就是化學(xué)吸附的活化能，然后進(jìn)入深位阱。此時(shí)吸附反應(yīng)將能放出較大的化學(xué)熱而產(chǎn)生化學(xué)吸附。
    物理吸附的特點(diǎn)是，吸附作用比較小，吸附熱小，可以對(duì)多層吸附質(zhì)產(chǎn)生作用�；瘜W(xué)吸附的特點(diǎn)恰恰相反，它的吸附作用強(qiáng)，吸附熱大，吸附具有選擇性，需要客服活化能。一般只吸附單層，吸附和解析的速度比較慢。
    2.吸附技術(shù)應(yīng)用于氫能源儲(chǔ)存
    氫能源在宇航事業(yè)中的應(yīng)用已有相當(dāng)長(zhǎng)的歷史，且其使用效果相當(dāng)顯著。從第二次世界大戰(zhàn)末期的開(kāi)發(fā)研究，20世紀(jì)50年代航天飛機(jī)上的使用，60年代在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的成熟經(jīng)驗(yàn)，直至近年來(lái)在航天飛機(jī)和未來(lái)軌道飛機(jī)與民航機(jī)中的推廣應(yīng)用，充分顯示出它強(qiáng)大的活力。
    氫位于元素周期表之首，它質(zhì)量小，在常溫小為無(wú)色、無(wú)味的氣體，且儲(chǔ)量豐富、發(fā)熱值高、燃燒性能好、點(diǎn)燃快、燃燒產(chǎn)物無(wú)污染，被看作未來(lái)理想的潔凈能源，受到各國(guó)政府和科學(xué)家的高度重視。由于氫氣極易著火、爆炸，因此要想有效利用能源，解決氫能的儲(chǔ)存和運(yùn)輸就成為開(kāi)發(fā)利用氫能的核心技術(shù)。在航天領(lǐng)域中應(yīng)用的氫，都是在高壓下液化儲(chǔ)存的，這樣不僅費(fèi)用昂貴，而且非常不安全，因此研制在較低溫度和壓力下，方便、高效的儲(chǔ)存和釋放氫能的材料是科學(xué)工作者一直追求的目標(biāo)。
    氫氣的存儲(chǔ)可分為物理和化學(xué)兩種方法：物理法有液氫存儲(chǔ)、高壓氫氣存儲(chǔ)、活性炭吸附存儲(chǔ)、納米碳存儲(chǔ)；化學(xué)法主要有金屬氰化物吸附存儲(chǔ)、無(wú)機(jī)物存儲(chǔ)等。
    相比而言，液化儲(chǔ)氫能耗較大，而金屬氰化物單位重量的儲(chǔ)氫能力較低，新型吸附劑如碳納米技術(shù)的難點(diǎn)，在與選用合適的催化劑。此外，優(yōu)化碳納米的制造方法和降低成本，都是尚未解決的問(wèn)題。
    3.活性炭?jī)?chǔ)氫
    木材炭化獲得多孔炭或活性炭，很久以來(lái)被人們用于制藥和凈化，而隨著第一次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)，出現(xiàn)了對(duì)防毒面具的需求，活性炭的氣體分離能力和儲(chǔ)氣能力開(kāi)始得到高度重視。初人們采用普通活性炭吸附儲(chǔ)氫，活性炭是經(jīng)活化的多孔、有大內(nèi)表面積和孔容積，以炭素為主要構(gòu)成元素的具有高表面活性炭的炭。活性炭具有像石墨晶粒卻無(wú)規(guī)則排列的微晶，在活化過(guò)程中微晶間產(chǎn)生了形狀不同、大小不一的孔隙，這些孔隙特別是小于20nm的微孔，提供了巨大的表面積，微孔的孔隙溶劑一般為0.25~0.9ml/g，孔隙數(shù)量約為1020個(gè)/g,全部微孔表面積約為500~1500㎡/g。微孔是決定活性炭吸附性能高低的條件較苛刻，即使在低溫下儲(chǔ)氫量也很低，不到1%，室溫下更低。因此，活性炭作為儲(chǔ)氫材料的應(yīng)用受到限制。
    后來(lái)人們采用比表面積過(guò)大，孔徑更小、更均勻的超級(jí)活性炭（比表面積約在2000㎡/g以上）作為儲(chǔ)存燃料氣體的主要載體，用比表面積高達(dá)3000㎡/g的超級(jí)活性炭?jī)?chǔ)氫，在77K、3MPa條件下可吸氫。氫在超級(jí)活性炭上的吸附量，隨壓力升高而顯著增加，氫存儲(chǔ)容量越大。
    氫氣在活性炭上的吸附是一種物理過(guò)程。溫度恒定時(shí)，加壓吸附，減壓脫附。從實(shí)測(cè)吸附等溫線(xiàn)看，脫附線(xiàn)與吸附線(xiàn)重合，沒(méi)有滯留效應(yīng)，即在給定的壓力區(qū)間內(nèi)，增壓時(shí)吸氫量與減壓時(shí)的放氫量相等。吸氫與放氫僅僅取決與亞利的變化。
    儲(chǔ)氫炭材料主要有單壁納米碳管（SWNT）、多壁納米碳管（MWNT）、碳納米纖維（CNF）、碳納米石墨、高比表面積活性炭、活性炭纖維（ACF）和納米石墨等。目前研究的重點(diǎn)是MWNT、CNF和高比表面積活性炭等炭材料的儲(chǔ)氫。

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