富氧(yang)活性炭的儲氫能力

　　富氧活性炭的(de)(de)儲(chu)氫(qing)能力(li)已被廣(guang)泛(fan)研究(jiu)用(yong)于儲(chu)氫(qing)，但到目前為(wei)止，它們(men)(men)的(de)(de)儲(chu)存(cun)能力(li)似乎(hu)有上限。在這里，為(wei)了(le)避(bi)免(mian)這個上限，我們(men)(men)研究(jiu)了(le)富氧活性炭的(de)(de)能力(li)。本文介紹了(le)醋(cu)酸纖維素(su)制成的(de)(de)活性炭，結合各(ge)種優(you)點(dian)，具(ju)有高表面積和孔(kong)隙(xi)體積，其自身孔(kong)隙(xi)幾乎(hu)完全具(ju)有微(wei)(wei)孔(kong)特性(微(wei)(wei)孔(kong)含(han)量超(chao)過90%)，具(ju)有富氧特性。

　　氫(qing)(qing)(qing)(qing)(qing)作(zuo)(zuo)(zuo)為(wei)(wei)機(ji)動車(che)輛(liang)中的(de)(de)(de)汽(qi)油(you)燃(ran)(ran)料(liao)(liao)，具(ju)(ju)有(you)一定的(de)(de)(de)吸引力，作(zuo)(zuo)(zuo)為(wei)(wei)氫(qing)(qing)(qing)(qing)(qing)經(jing)濟的(de)(de)(de)一部(bu)分。與目前(qian)使(shi)用(yong)的(de)(de)(de)化(hua)石燃(ran)(ran)料(liao)(liao)相(xiang)比，氫(qing)(qing)(qing)(qing)(qing)作(zuo)(zuo)(zuo)為(wei)(wei)燃(ran)(ran)料(liao)(liao)具(ju)(ju)有(you)更有(you)利的(de)(de)(de)優(you)勢，包括潛在(zai)(zai)的(de)(de)(de)可再生和對環境友好(hao)(hao)性(xing)（氫(qing)(qing)(qing)(qing)(qing)燃(ran)(ran)燒或電化(hua)學氧化(hua)的(de)(de)(de)**副產品是(shi)水，這將減少CO2排放(fang))，以及具(ju)(ju)有(you)高重(zhong)(zhong)量能量密度(du)。然而，氫(qing)(qing)(qing)(qing)(qing)作(zuo)(zuo)(zuo)為(wei)(wei)一種可行的(de)(de)(de)車(che)輛(liang)燃(ran)(ran)料(liao)(liao)，在(zai)(zai)運輸(shu)和應(ying)用(yong)中存(cun)在(zai)(zai)一些問題(ti)。因此，儲(chu)存(cun)固體材料(liao)(liao)中的(de)(de)(de)氫(qing)(qing)(qing)(qing)(qing)是(shi)更好(hao)(hao)地使(shi)用(yong)氫(qing)(qing)(qing)(qing)(qing)的(de)(de)(de)關(guan)鍵。氫(qing)(qing)(qing)(qing)(qing)吸收的(de)(de)(de)*重(zhong)(zhong)要因素是(shi)表面(mian)積(ji)、孔體積(ji)和孔徑。特別是(shi)儲(chu)存(cun)在(zai)(zai)活性(xing)炭(tan)氫(qing)(qing)(qing)(qing)(qing)量之(zhi)間的(de)(de)(de)鏈路。然而，儲(chu)存(cun)在(zai)(zai)活性(xing)炭(tan)中的(de)(de)(de)氫(qing)(qing)(qing)(qing)(qing)的(de)(de)(de)量仍(reng)然受到分子(zi)氫(qing)(qing)(qing)(qing)(qing)與孔壁表面(mian)之(zhi)間弱(ruo)相(xiang)互作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)的(de)(de)(de)限制(zhi)。理(li)想的(de)(de)(de)活性(xing)炭(tan)儲(chu)氫(qing)(qing)(qing)(qing)(qing)材料(liao)(liao)具(ju)(ju)有(you)與吸附氫(qing)(qing)(qing)(qing)(qing)分子(zi)儲(chu)存(cun)相(xiang)互作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)的(de)(de)(de)高表面(mian)積(ji)。

　　因(yin)此(ci)，在(zai)本(ben)研究中，我們利用活(huo)性(xing)(xing)炭前體的(de)(de)類(lei)型與(yu)*終(zhong)活(huo)性(xing)(xing)炭的(de)(de)性(xing)(xing)質(zhi)之(zhi)間的(de)(de)關系來生(sheng)成(cheng)一組具有(you)高(gao)(gao)表(biao)面積、高(gao)(gao)水(shui)平微孔(kong)率、高(gao)(gao)氧含(han)量(liang)和相似孔(kong)徑的(de)(de)多(duo)孔(kong)碳。并(bing)研究了富氧活(huo)性(xing)(xing)炭的(de)(de)特性(xing)(xing)及其(qi)(qi)吸氫(qing)性(xing)(xing)能，并(bing)將其(qi)(qi)與(yu)其(qi)(qi)它(ta)材料進行了比(bi)較。為了探測表(biao)面氧對活(huo)性(xing)(xing)炭氫(qing)吸收性(xing)(xing)能的(de)(de)影響，我們設計(ji)了活(huo)性(xing)(xing)炭合(he)成(cheng)方法來生(sheng)成(cheng)高(gao)(gao)氧含(han)量(liang)的(de)(de)材料。因(yin)此(ci)，我們使用醋酸纖維(wei)素，它(ta)被稱為CA(并(bing)且(qie)具有(you)0.93的(de)(de)O/C原子比(bi))作為起(qi)始材料，而不(bu)是0.83的(de)(de)O/C比(bi)纖維(wei)素。

　　多孔活性炭

　　合成富(fu)氧活(huo)性炭，石墨(mo)化水(shui)(shui)平低。活(huo)性炭顯(xian)示孔(kong)(kong)隙(xi)率(lv)主要來自微孔(kong)(kong)高水(shui)(shui)平，用作儲氫材(cai)料(liao)是(shi)有(you)用的(de)(de)。利用氮吸附分析(xi)檢測(ce)活(huo)性炭的(de)(de)孔(kong)(kong)隙(xi)率(lv)。如圖1所示a所示。所有(you)三(san)個樣(yang)品都顯(xian)示了通(tong)(tong)常從(cong)(cong)微孔(kong)(kong)材(cai)料(liao)中獲(huo)得的(de)(de)I型等(deng)溫(wen)(wen)線。活(huo)化溫(wen)(wen)度從(cong)(cong)6000開始℃變(bian)化到700℃，吸附氮量（碳中孔(kong)(kong)隙(xi)率(lv)）顯(xian)著增加(jia)，然(ran)后在800℃樣(yang)品下降。然(ran)而，等(deng)溫(wen)(wen)線的(de)(de)形(xing)狀(zhuang)幾乎沒有(you)變(bian)化，這表明盡(jin)管孔(kong)(kong)隙(xi)率(lv)大大增加(jia)，但仍(reng)保持微孔(kong)(kong)的(de)(de)水(shui)(shui)平。活(huo)性炭增加(jia)的(de)(de)總孔(kong)(kong)隙(xi)率(lv)通(tong)(tong)常與等(deng)溫(wen)(wen)線形(xing)狀(zhuang)的(de)(de)變(bian)化有(you)關(guan)，特別是(shi)加(jia)寬吸附。

　　活性(xing)炭的(de)孔隙率。活化(hua)碳(tan)標記為(wei)CA-4T，其中4是(shi)活化(hua)KOH/碳(tan)比，T是(shi)活化(hua)溫(wen)度。氮吸附等溫(wen)線(xian)顯示(a)以及相應的(de)孔徑分布曲線(xian)(b)。

　　活(huo)性炭(tan)的(de)氫儲存能力

　　活性(xing)(xing)(xing)炭(tan)中的(de)氫(qing)儲存需要具有(you)(you)(you)*大(da)(da)表(biao)面積(ji)和(he)適當尺寸(cun)的(de)孔。在(zai)(zai)(zai)(zai)-196和(he)25℃使用重(zhong)量(liang)法HidenXEMIS在(zai)(zai)(zai)(zai)0-30巴(ba)的(de)壓(ya)(ya)力(li)范圍(wei)(wei)內(nei)研究(jiu)活性(xing)(xing)(xing)炭(tan)的(de)儲氫(qing)能(neng)力(li)。圖2顯示了活性(xing)(xing)(xing)炭(tan)在(zai)(zai)(zai)(zai)-196℃過量(liang)和(he)總氫(qing)吸收(shou)等溫線。對(dui)于所(suo)有(you)(you)(you)CA-4T氫(qing)吸收(shou)是可逆的(de)，沒(mei)有(you)(you)(you)滯后，在(zai)(zai)(zai)(zai)0-30巴(ba)的(de)壓(ya)(ya)力(li)范圍(wei)(wei)內(nei)沒(mei)有(you)(you)(you)飽和(he)。首先，我們注意到1巴(ba)的(de)氫(qing)吸收(shou)非(fei)常(chang)令人印象深刻.1-3.9wt在(zai)(zai)(zai)(zai)%的(de)范圍(wei)(wei)內(nei)。這種儲氫(qing)比(bi)任何在(zai)(zai)(zai)(zai)2-3重(zhong)量(liang)%范圍(wei)(wei)內(nei)的(de)報告(gao)高得(de)多。我們將(jiang)這種特(te)別高的(de)吸收(shou)特(te)性(xing)(xing)(xing)歸(gui)因于非(fei)常(chang)高的(de)微孔表(biao)面積(ji)和(he)富(fu)氧(yang)表(biao)面的(de)組合，特(te)別是3.9重(zhong)量(liang)%的(de)活性(xing)(xing)(xing)炭(tan)樣品CA-4700。富(fu)氧(yang)表(biao)面的(de)作用是活性(xing)(xing)(xing)炭(tan)樣品CA-4600，雖(sui)然(ran)總表(biao)面積(ji)和(he)微孔表(biao)面適中，但其吸收(shou)率仍(reng)遠高于以(yi)前發(fa)(fa)現的(de)活性(xing)(xing)(xing)炭(tan)材料。研究(jiu)發(fa)(fa)現，有(you)(you)(you)氧(yang)官能(neng)團的(de)活性(xing)(xing)(xing)炭(tan)效(xiao)果預計在(zai)(zai)(zai)(zai)低壓(ya)(ya)下(xia)*大(da)(da)，氫(qing)與表(biao)面的(de)相互作用比(bi)在(zai)(zai)(zai)(zai)高壓(ya)(ya)下(xia)更重(zhong)要，氫(qing)通過空間填充機制(zhi)更有(you)(you)(you)可能(neng)被吸收(shou)。

　　-196℃過量的活性炭(tan)和總氫吸收。

　　利用醋酸(suan)纖維(wei)素(su)的(de)水熱碳(tan)化(hua)產(chan)生(sheng)水合物，在活(huo)(huo)化(hua)過(guo)程中(zhong)產(chan)生(sheng)富(fu)氧(yang)(yang)活(huo)(huo)性炭。這(zhe)種活(huo)(huo)性炭表觀面積(ji)很高，表面積(ji)大(da)部分(fen)，微孔(kong)產(chan)生(sheng)率(lv)達到92%。活(huo)(huo)性炭只有一(yi)小部分(fen)大(da)于2納米(mi)的(de)孔(kong)。通過(guo)IR和(he)XPS氧(yang)(yang)官能團已被證實(COOH，C-OH和(he)O-C=O)的(de)存在。與其他前體（如(ru)纖維(wei)素(su)、木質(zhi)素(su)、鋸末、淀粉(fen)等）制成的(de)活(huo)(huo)性炭進行比較分(fen)析(xi)，表明(ming)醋酸(suan)纖維(wei)素(su)衍生(sheng)的(de)活(huo)(huo)性炭富(fu)含氧(yang)(yang)氣(qi)和(he)高微孔(kong)。活(huo)(huo)性炭在-196°C重量(liang)儲氫能力增強，高達8.1wt%(總吸(xi)(xi)收(shou))和(he)7.0wt20巴(過(guo)度(du)吸(xi)(xi)收(shou))在30巴下(xia)升至8.9wt%(總吸(xi)(xi)收(shou))和(he)7.2wt%(過(guo)度(du)吸(xi)(xi)收(shou))。活(huo)(huo)性炭在室溫下(xia)也表現出優異的(de)氫吸(xi)(xi)收(shou)。這(zhe)些足以證明(ming)富(fu)氧(yang)(yang)活(huo)(huo)性炭優秀的(de)儲氫能力。