富氧活性炭的儲氫能力

　　富氧活性炭的(de)儲氫(qing)(qing)能力已被廣泛研(yan)究用于(yu)儲氫(qing)(qing)，但到(dao)目前為(wei)(wei)止(zhi)，它們的(de)儲存(cun)能力似(si)乎有上限。在這里，為(wei)(wei)了(le)避免這個上限，我們研(yan)究了(le)富氧活性(xing)炭的(de)能力。本文介紹了(le)醋酸纖維素(su)制成的(de)活性(xing)炭，結合各種(zhong)優(you)點，具有高表(biao)面積和孔(kong)隙(xi)(xi)體(ti)積，其自身孔(kong)隙(xi)(xi)幾乎完全具有微孔(kong)特(te)性(xing)(微孔(kong)含量超過90%)，具有富氧特(te)性(xing)。

　　氫(qing)(qing)(qing)作(zuo)為(wei)機動車(che)輛中的(de)(de)(de)(de)汽油燃(ran)(ran)料，具(ju)(ju)有一(yi)定的(de)(de)(de)(de)吸引力，作(zuo)為(wei)氫(qing)(qing)(qing)經(jing)濟的(de)(de)(de)(de)一(yi)部(bu)分(fen)。與目前(qian)使用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)化(hua)石燃(ran)(ran)料相(xiang)比(bi)，氫(qing)(qing)(qing)作(zuo)為(wei)燃(ran)(ran)料具(ju)(ju)有更(geng)(geng)有利的(de)(de)(de)(de)優(you)勢，包括潛在的(de)(de)(de)(de)可再生(sheng)和(he)對(dui)環(huan)境(jing)友好性（氫(qing)(qing)(qing)燃(ran)(ran)燒或電化(hua)學氧化(hua)的(de)(de)(de)(de)**副產品(pin)是(shi)水，這將減少CO2排(pai)放)，以(yi)及具(ju)(ju)有高重(zhong)量(liang)能量(liang)密度(du)。然(ran)而，氫(qing)(qing)(qing)作(zuo)為(wei)一(yi)種可行的(de)(de)(de)(de)車(che)輛燃(ran)(ran)料，在運輸和(he)應用(yong)(yong)(yong)中存(cun)(cun)在一(yi)些(xie)問題。因(yin)此(ci)，儲(chu)存(cun)(cun)固(gu)體材(cai)料中的(de)(de)(de)(de)氫(qing)(qing)(qing)是(shi)更(geng)(geng)好地使用(yong)(yong)(yong)氫(qing)(qing)(qing)的(de)(de)(de)(de)關鍵。氫(qing)(qing)(qing)吸收的(de)(de)(de)(de)*重(zhong)要因(yin)素是(shi)表面(mian)積、孔體積和(he)孔徑。特別是(shi)儲(chu)存(cun)(cun)在活性炭氫(qing)(qing)(qing)量(liang)之間(jian)的(de)(de)(de)(de)鏈路。然(ran)而，儲(chu)存(cun)(cun)在活性炭中的(de)(de)(de)(de)氫(qing)(qing)(qing)的(de)(de)(de)(de)量(liang)仍然(ran)受到分(fen)子(zi)氫(qing)(qing)(qing)與孔壁表面(mian)之間(jian)弱(ruo)相(xiang)互作(zuo)用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)限制。理(li)想(xiang)的(de)(de)(de)(de)活性炭儲(chu)氫(qing)(qing)(qing)材(cai)料具(ju)(ju)有與吸附氫(qing)(qing)(qing)分(fen)子(zi)儲(chu)存(cun)(cun)相(xiang)互作(zuo)用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)高表面(mian)積。

　　因(yin)此，在本(ben)研究(jiu)(jiu)中，我們(men)利用(yong)活性(xing)炭(tan)前體的(de)(de)(de)類型(xing)與*終活性(xing)炭(tan)的(de)(de)(de)性(xing)質之間的(de)(de)(de)關(guan)系來生成(cheng)一組(zu)具(ju)有(you)(you)高(gao)表(biao)面積、高(gao)水平微孔率、高(gao)氧(yang)含量和相似孔徑(jing)的(de)(de)(de)多孔碳(tan)。并(bing)研究(jiu)(jiu)了(le)(le)富(fu)氧(yang)活性(xing)炭(tan)的(de)(de)(de)特(te)性(xing)及(ji)其吸(xi)氫(qing)性(xing)能，并(bing)將其與其它(ta)材料(liao)進行了(le)(le)比較。為(wei)了(le)(le)探測表(biao)面氧(yang)對活性(xing)炭(tan)氫(qing)吸(xi)收性(xing)能的(de)(de)(de)影(ying)響，我們(men)設(she)計了(le)(le)活性(xing)炭(tan)合成(cheng)方(fang)法來生成(cheng)高(gao)氧(yang)含量的(de)(de)(de)材料(liao)。因(yin)此，我們(men)使(shi)用(yong)醋酸(suan)纖維素，它(ta)被稱(cheng)為(wei)CA(并(bing)且具(ju)有(you)(you)0.93的(de)(de)(de)O/C原子比)作(zuo)為(wei)起始材料(liao)，而不是0.83的(de)(de)(de)O/C比纖維素。

　　多孔活性炭

　　合成富氧(yang)活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)，石(shi)墨化(hua)水平低(di)。活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)顯示孔隙(xi)(xi)率(lv)(lv)主要來自微(wei)(wei)孔高水平，用作儲氫材(cai)料是有(you)(you)用的(de)。利用氮(dan)吸(xi)附(fu)(fu)分析(xi)檢測(ce)活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)的(de)孔隙(xi)(xi)率(lv)(lv)。如圖1所(suo)示a所(suo)示。所(suo)有(you)(you)三個(ge)樣(yang)(yang)品都顯示了通常(chang)從微(wei)(wei)孔材(cai)料中(zhong)獲得的(de)I型等溫線(xian)。活(huo)化(hua)溫度(du)從6000開始℃變(bian)(bian)化(hua)到(dao)700℃，吸(xi)附(fu)(fu)氮(dan)量（碳中(zhong)孔隙(xi)(xi)率(lv)(lv)）顯著(zhu)增(zeng)加(jia)(jia)，然后在800℃樣(yang)(yang)品下降。然而(er)，等溫線(xian)的(de)形(xing)狀幾乎沒有(you)(you)變(bian)(bian)化(hua)，這表明盡(jin)管孔隙(xi)(xi)率(lv)(lv)大(da)大(da)增(zeng)加(jia)(jia)，但仍(reng)保(bao)持微(wei)(wei)孔的(de)水平。活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)增(zeng)加(jia)(jia)的(de)總孔隙(xi)(xi)率(lv)(lv)通常(chang)與等溫線(xian)形(xing)狀的(de)變(bian)(bian)化(hua)有(you)(you)關，特別是加(jia)(jia)寬吸(xi)附(fu)(fu)。

　　活性炭的(de)孔隙率。活化(hua)碳標記為CA-4T，其中4是(shi)活化(hua)KOH/碳比，T是(shi)活化(hua)溫度。氮吸附等溫線顯(xian)示(a)以及相應(ying)的(de)孔徑分布曲線(b)。

　　活性炭的氫(qing)儲存能力

　　活(huo)(huo)性(xing)炭(tan)中(zhong)(zhong)的(de)氫(qing)(qing)(qing)儲(chu)(chu)存需要具有(you)(you)*大表(biao)(biao)面(mian)積和(he)適當尺寸的(de)孔。在(zai)-196和(he)25℃使用重量(liang)(liang)法HidenXEMIS在(zai)0-30巴(ba)的(de)壓(ya)力(li)范(fan)圍(wei)內研究活(huo)(huo)性(xing)炭(tan)的(de)儲(chu)(chu)氫(qing)(qing)(qing)能力(li)。圖(tu)2顯示了活(huo)(huo)性(xing)炭(tan)在(zai)-196℃過量(liang)(liang)和(he)總(zong)(zong)氫(qing)(qing)(qing)吸(xi)收(shou)(shou)等溫線(xian)。對于(yu)(yu)所有(you)(you)CA-4T氫(qing)(qing)(qing)吸(xi)收(shou)(shou)是可(ke)逆(ni)的(de)，沒有(you)(you)滯(zhi)后，在(zai)0-30巴(ba)的(de)壓(ya)力(li)范(fan)圍(wei)內沒有(you)(you)飽和(he)。首先(xian)，我(wo)(wo)們(men)注意到(dao)1巴(ba)的(de)氫(qing)(qing)(qing)吸(xi)收(shou)(shou)非(fei)常令人印象深刻.1-3.9wt在(zai)%的(de)范(fan)圍(wei)內。這種儲(chu)(chu)氫(qing)(qing)(qing)比(bi)任何在(zai)2-3重量(liang)(liang)%范(fan)圍(wei)內的(de)報告高得多。我(wo)(wo)們(men)將這種特(te)別高的(de)吸(xi)收(shou)(shou)特(te)性(xing)歸因于(yu)(yu)非(fei)常高的(de)微孔表(biao)(biao)面(mian)積和(he)富(fu)氧(yang)(yang)表(biao)(biao)面(mian)的(de)組合(he)，特(te)別是3.9重量(liang)(liang)%的(de)活(huo)(huo)性(xing)炭(tan)樣品CA-4700。富(fu)氧(yang)(yang)表(biao)(biao)面(mian)的(de)作用是活(huo)(huo)性(xing)炭(tan)樣品CA-4600，雖然總(zong)(zong)表(biao)(biao)面(mian)積和(he)微孔表(biao)(biao)面(mian)適中(zhong)(zhong)，但(dan)其吸(xi)收(shou)(shou)率仍(reng)遠高于(yu)(yu)以(yi)前發(fa)現的(de)活(huo)(huo)性(xing)炭(tan)材料。研究發(fa)現，有(you)(you)氧(yang)(yang)官能團的(de)活(huo)(huo)性(xing)炭(tan)效果(guo)預計在(zai)低(di)壓(ya)下*大，氫(qing)(qing)(qing)與表(biao)(biao)面(mian)的(de)相互作用比(bi)在(zai)高壓(ya)下更重要，氫(qing)(qing)(qing)通過空(kong)間填充機(ji)制更有(you)(you)可(ke)能被(bei)吸(xi)收(shou)(shou)。

　　-196℃過量的活性(xing)炭和總(zong)氫吸收。

　　利用醋(cu)酸纖(xian)維素(su)的(de)(de)(de)水熱碳化產生水合(he)物，在(zai)活化過(guo)程中產生富氧(yang)活性炭(tan)(tan)。這種活性炭(tan)(tan)表觀面積很高(gao)，表面積大(da)部(bu)分，微(wei)孔產生率達到92%。活性炭(tan)(tan)只有一小部(bu)分大(da)于(yu)2納米的(de)(de)(de)孔。通(tong)過(guo)IR和(he)(he)(he)XPS氧(yang)官能(neng)團已被證實(COOH，C-OH和(he)(he)(he)O-C=O)的(de)(de)(de)存(cun)在(zai)。與其他(ta)前體（如纖(xian)維素(su)、木質(zhi)素(su)、鋸末、淀粉等）制成的(de)(de)(de)活性炭(tan)(tan)進行比(bi)較(jiao)分析，表明(ming)醋(cu)酸纖(xian)維素(su)衍生的(de)(de)(de)活性炭(tan)(tan)富含氧(yang)氣和(he)(he)(he)高(gao)微(wei)孔。活性炭(tan)(tan)在(zai)-196°C重量(liang)儲氫能(neng)力增強(qiang)，高(gao)達8.1wt%(總吸(xi)收)和(he)(he)(he)7.0wt20巴(過(guo)度吸(xi)收)在(zai)30巴下(xia)升至(zhi)8.9wt%(總吸(xi)收)和(he)(he)(he)7.2wt%(過(guo)度吸(xi)收)。活性炭(tan)(tan)在(zai)室(shi)溫下(xia)也表現(xian)出優異的(de)(de)(de)氫吸(xi)收。這些(xie)足以證明(ming)富氧(yang)活性炭(tan)(tan)優秀(xiu)的(de)(de)(de)儲氫能(neng)力。