富氧活性炭的儲氫能力

　　富氧活性炭的(de)儲氫能力(li)已被廣泛研(yan)究用(yong)于儲氫，但到目前為(wei)止(zhi)，它們(men)的(de)儲存能力(li)似(si)乎有上限(xian)。在這里，為(wei)了(le)(le)避免這個(ge)上限(xian)，我們(men)研(yan)究了(le)(le)富氧活性(xing)(xing)炭的(de)能力(li)。本(ben)文介紹(shao)了(le)(le)醋酸纖(xian)維素制成(cheng)的(de)活性(xing)(xing)炭，結(jie)合各(ge)種(zhong)優點(dian)，具(ju)有高表面積和孔隙體積，其自身孔隙幾乎完全具(ju)有微(wei)孔特性(xing)(xing)(微(wei)孔含量超(chao)過90%)，具(ju)有富氧特性(xing)(xing)。

　　氫(qing)(qing)(qing)作(zuo)為機動(dong)車(che)(che)輛中(zhong)的(de)(de)汽油燃料(liao)，具(ju)有一(yi)(yi)(yi)定的(de)(de)吸引力，作(zuo)為氫(qing)(qing)(qing)經(jing)濟的(de)(de)一(yi)(yi)(yi)部分。與目(mu)前使用的(de)(de)化(hua)石燃料(liao)相比，氫(qing)(qing)(qing)作(zuo)為燃料(liao)具(ju)有更(geng)有利的(de)(de)優(you)勢，包(bao)括潛在(zai)的(de)(de)可(ke)再生和(he)對(dui)環境友好性（氫(qing)(qing)(qing)燃燒(shao)或電化(hua)學氧(yang)化(hua)的(de)(de)**副產(chan)品是(shi)(shi)水(shui)，這將減少(shao)CO2排放(fang))，以(yi)及具(ju)有高(gao)重量(liang)(liang)能量(liang)(liang)密度。然而(er)，氫(qing)(qing)(qing)作(zuo)為一(yi)(yi)(yi)種可(ke)行(xing)的(de)(de)車(che)(che)輛燃料(liao)，在(zai)運輸(shu)和(he)應用中(zhong)存(cun)在(zai)一(yi)(yi)(yi)些(xie)問題。因此，儲(chu)(chu)存(cun)固體材料(liao)中(zhong)的(de)(de)氫(qing)(qing)(qing)是(shi)(shi)更(geng)好地使用氫(qing)(qing)(qing)的(de)(de)關(guan)鍵。氫(qing)(qing)(qing)吸收的(de)(de)*重要因素是(shi)(shi)表面積、孔(kong)體積和(he)孔(kong)徑。特別(bie)是(shi)(shi)儲(chu)(chu)存(cun)在(zai)活(huo)(huo)性炭(tan)(tan)氫(qing)(qing)(qing)量(liang)(liang)之間的(de)(de)鏈路。然而(er)，儲(chu)(chu)存(cun)在(zai)活(huo)(huo)性炭(tan)(tan)中(zhong)的(de)(de)氫(qing)(qing)(qing)的(de)(de)量(liang)(liang)仍然受到分子氫(qing)(qing)(qing)與孔(kong)壁表面之間弱相互(hu)作(zuo)用的(de)(de)限制。理想的(de)(de)活(huo)(huo)性炭(tan)(tan)儲(chu)(chu)氫(qing)(qing)(qing)材料(liao)具(ju)有與吸附氫(qing)(qing)(qing)分子儲(chu)(chu)存(cun)相互(hu)作(zuo)用的(de)(de)高(gao)表面積。

　　因(yin)此，在本研(yan)(yan)究中，我(wo)們利用(yong)活(huo)(huo)性(xing)(xing)炭(tan)(tan)前體的(de)(de)(de)類型(xing)與*終活(huo)(huo)性(xing)(xing)炭(tan)(tan)的(de)(de)(de)性(xing)(xing)質(zhi)之間的(de)(de)(de)關系來生成(cheng)(cheng)一組(zu)具(ju)有(you)高表面積、高水(shui)平微(wei)孔率、高氧(yang)(yang)含量(liang)和相似(si)孔徑的(de)(de)(de)多(duo)孔碳(tan)。并(bing)研(yan)(yan)究了(le)富(fu)氧(yang)(yang)活(huo)(huo)性(xing)(xing)炭(tan)(tan)的(de)(de)(de)特性(xing)(xing)及其吸氫性(xing)(xing)能，并(bing)將其與其它(ta)材料進行了(le)比(bi)較(jiao)。為(wei)了(le)探測表面氧(yang)(yang)對活(huo)(huo)性(xing)(xing)炭(tan)(tan)氫吸收性(xing)(xing)能的(de)(de)(de)影響，我(wo)們設計了(le)活(huo)(huo)性(xing)(xing)炭(tan)(tan)合(he)成(cheng)(cheng)方法(fa)來生成(cheng)(cheng)高氧(yang)(yang)含量(liang)的(de)(de)(de)材料。因(yin)此，我(wo)們使(shi)用(yong)醋酸(suan)纖(xian)維素，它(ta)被稱為(wei)CA(并(bing)且具(ju)有(you)0.93的(de)(de)(de)O/C原(yuan)子比(bi))作為(wei)起始材料，而(er)不是0.83的(de)(de)(de)O/C比(bi)纖(xian)維素。

　　多孔活性炭

　　合成富(fu)氧活(huo)性(xing)(xing)炭(tan)，石墨(mo)化水平低(di)。活(huo)性(xing)(xing)炭(tan)顯(xian)示(shi)孔(kong)(kong)隙(xi)(xi)率主要來自微孔(kong)(kong)高水平，用作(zuo)儲氫材(cai)料是有用的(de)。利用氮(dan)吸(xi)附分析檢測活(huo)性(xing)(xing)炭(tan)的(de)孔(kong)(kong)隙(xi)(xi)率。如圖1所(suo)(suo)示(shi)a所(suo)(suo)示(shi)。所(suo)(suo)有三個樣品都顯(xian)示(shi)了通常從微孔(kong)(kong)材(cai)料中獲得的(de)I型等(deng)(deng)溫線(xian)。活(huo)化溫度(du)從6000開始℃變(bian)化到700℃，吸(xi)附氮(dan)量（碳中孔(kong)(kong)隙(xi)(xi)率）顯(xian)著增加(jia)(jia)，然(ran)后(hou)在800℃樣品下降。然(ran)而，等(deng)(deng)溫線(xian)的(de)形狀幾乎沒(mei)有變(bian)化，這表明盡管孔(kong)(kong)隙(xi)(xi)率大大增加(jia)(jia)，但仍(reng)保持微孔(kong)(kong)的(de)水平。活(huo)性(xing)(xing)炭(tan)增加(jia)(jia)的(de)總孔(kong)(kong)隙(xi)(xi)率通常與(yu)等(deng)(deng)溫線(xian)形狀的(de)變(bian)化有關，特別是加(jia)(jia)寬吸(xi)附。

　　活性(xing)炭的孔隙率(lv)。活化碳標(biao)記為CA-4T，其(qi)中4是(shi)活化KOH/碳比(bi)，T是(shi)活化溫度。氮吸附等溫線(xian)顯示(a)以及相應的孔徑分(fen)布曲線(xian)(b)。

　　活性炭的氫儲存能力

　　活性(xing)炭(tan)(tan)(tan)(tan)中的(de)(de)(de)(de)(de)氫(qing)(qing)儲存需要具(ju)有(you)*大(da)表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)積(ji)和(he)(he)(he)(he)適(shi)當尺寸的(de)(de)(de)(de)(de)孔(kong)。在(zai)(zai)(zai)-196和(he)(he)(he)(he)25℃使用重(zhong)(zhong)量法HidenXEMIS在(zai)(zai)(zai)0-30巴的(de)(de)(de)(de)(de)壓(ya)(ya)力范(fan)圍內研(yan)究活性(xing)炭(tan)(tan)(tan)(tan)的(de)(de)(de)(de)(de)儲氫(qing)(qing)能力。圖2顯(xian)示了活性(xing)炭(tan)(tan)(tan)(tan)在(zai)(zai)(zai)-196℃過量和(he)(he)(he)(he)總(zong)(zong)氫(qing)(qing)吸(xi)(xi)收等溫線。對于(yu)所有(you)CA-4T氫(qing)(qing)吸(xi)(xi)收是(shi)可(ke)逆(ni)的(de)(de)(de)(de)(de)，沒(mei)有(you)滯后，在(zai)(zai)(zai)0-30巴的(de)(de)(de)(de)(de)壓(ya)(ya)力范(fan)圍內沒(mei)有(you)飽(bao)和(he)(he)(he)(he)。首先，我們(men)(men)注意到1巴的(de)(de)(de)(de)(de)氫(qing)(qing)吸(xi)(xi)收非常(chang)令人印象深刻(ke).1-3.9wt在(zai)(zai)(zai)%的(de)(de)(de)(de)(de)范(fan)圍內。這(zhe)種(zhong)儲氫(qing)(qing)比任何在(zai)(zai)(zai)2-3重(zhong)(zhong)量%范(fan)圍內的(de)(de)(de)(de)(de)報告高(gao)得多。我們(men)(men)將這(zhe)種(zhong)特別高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)吸(xi)(xi)收特性(xing)歸因(yin)于(yu)非常(chang)高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)微孔(kong)表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)積(ji)和(he)(he)(he)(he)富氧(yang)(yang)表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)組合，特別是(shi)3.9重(zhong)(zhong)量%的(de)(de)(de)(de)(de)活性(xing)炭(tan)(tan)(tan)(tan)樣(yang)(yang)品CA-4700。富氧(yang)(yang)表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)作(zuo)用是(shi)活性(xing)炭(tan)(tan)(tan)(tan)樣(yang)(yang)品CA-4600，雖(sui)然總(zong)(zong)表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)積(ji)和(he)(he)(he)(he)微孔(kong)表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)適(shi)中，但其吸(xi)(xi)收率仍遠(yuan)高(gao)于(yu)以前發現的(de)(de)(de)(de)(de)活性(xing)炭(tan)(tan)(tan)(tan)材(cai)料。研(yan)究發現，有(you)氧(yang)(yang)官能團的(de)(de)(de)(de)(de)活性(xing)炭(tan)(tan)(tan)(tan)效果預計在(zai)(zai)(zai)低壓(ya)(ya)下*大(da)，氫(qing)(qing)與表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)相互作(zuo)用比在(zai)(zai)(zai)高(gao)壓(ya)(ya)下更(geng)重(zhong)(zhong)要，氫(qing)(qing)通過空(kong)間填充機制(zhi)更(geng)有(you)可(ke)能被吸(xi)(xi)收。

　　-196℃過(guo)量的活性炭和總氫吸收。

　　利用(yong)醋(cu)酸(suan)纖(xian)維(wei)素(su)(su)的(de)水熱(re)碳(tan)化產(chan)生水合物，在(zai)活(huo)(huo)(huo)化過程中產(chan)生富(fu)氧(yang)活(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭。這(zhe)(zhe)種活(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭表觀面(mian)積(ji)很(hen)高，表面(mian)積(ji)大(da)部分(fen)，微(wei)孔產(chan)生率(lv)達(da)到92%。活(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭只有一小(xiao)部分(fen)大(da)于2納(na)米的(de)孔。通過IR和(he)(he)(he)(he)XPS氧(yang)官能團(tuan)已(yi)被證(zheng)實(shi)(COOH，C-OH和(he)(he)(he)(he)O-C=O)的(de)存(cun)在(zai)。與其(qi)他前體（如纖(xian)維(wei)素(su)(su)、木質(zhi)素(su)(su)、鋸末、淀粉(fen)等）制成的(de)活(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭進行比較分(fen)析，表明醋(cu)酸(suan)纖(xian)維(wei)素(su)(su)衍(yan)生的(de)活(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭富(fu)含(han)氧(yang)氣和(he)(he)(he)(he)高微(wei)孔。活(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭在(zai)-196°C重(zhong)量儲氫能力(li)增強，高達(da)8.1wt%(總(zong)吸收)和(he)(he)(he)(he)7.0wt20巴(ba)(過度吸收)在(zai)30巴(ba)下(xia)升至8.9wt%(總(zong)吸收)和(he)(he)(he)(he)7.2wt%(過度吸收)。活(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭在(zai)室溫下(xia)也表現出優(you)異的(de)氫吸收。這(zhe)(zhe)些足(zu)以(yi)證(zheng)明富(fu)氧(yang)活(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭優(you)秀(xiu)的(de)儲氫能力(li)。