富氧活性炭的儲氫能力

　　富氧活性炭的(de)(de)儲(chu)氫能(neng)(neng)力(li)已被廣泛研究(jiu)用(yong)于儲(chu)氫，但到目前為(wei)止，它們的(de)(de)儲(chu)存能(neng)(neng)力(li)似乎(hu)有上限。在這里，為(wei)了(le)避免這個上限，我們研究(jiu)了(le)富氧活(huo)(huo)性(xing)炭的(de)(de)能(neng)(neng)力(li)。本文介(jie)紹(shao)了(le)醋酸(suan)纖維素(su)制成的(de)(de)活(huo)(huo)性(xing)炭，結合各種優點，具有高(gao)表面積和(he)孔(kong)隙體積，其自身孔(kong)隙幾乎(hu)完全具有微(wei)孔(kong)特性(xing)(微(wei)孔(kong)含(han)量超過90%)，具有富氧特性(xing)。

　　氫(qing)(qing)(qing)(qing)(qing)作(zuo)為(wei)機動車(che)輛中(zhong)的(de)(de)(de)(de)汽油燃(ran)料，具有一(yi)(yi)定的(de)(de)(de)(de)吸引力，作(zuo)為(wei)氫(qing)(qing)(qing)(qing)(qing)經濟的(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)部分。與目(mu)前使用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)化(hua)石燃(ran)料相比，氫(qing)(qing)(qing)(qing)(qing)作(zuo)為(wei)燃(ran)料具有更(geng)有利的(de)(de)(de)(de)優勢，包括潛在(zai)的(de)(de)(de)(de)可(ke)再(zai)生和對環境友(you)好性（氫(qing)(qing)(qing)(qing)(qing)燃(ran)燒或電化(hua)學(xue)氧化(hua)的(de)(de)(de)(de)**副產品是水，這將減少CO2排放)，以及具有高重量能量密度(du)。然而，氫(qing)(qing)(qing)(qing)(qing)作(zuo)為(wei)一(yi)(yi)種可(ke)行的(de)(de)(de)(de)車(che)輛燃(ran)料，在(zai)運輸和應(ying)用(yong)(yong)(yong)中(zhong)存(cun)在(zai)一(yi)(yi)些問(wen)題。因此，儲(chu)存(cun)固(gu)體材料中(zhong)的(de)(de)(de)(de)氫(qing)(qing)(qing)(qing)(qing)是更(geng)好地使用(yong)(yong)(yong)氫(qing)(qing)(qing)(qing)(qing)的(de)(de)(de)(de)關鍵。氫(qing)(qing)(qing)(qing)(qing)吸收的(de)(de)(de)(de)*重要因素是表(biao)面積(ji)、孔體積(ji)和孔徑。特別是儲(chu)存(cun)在(zai)活性炭氫(qing)(qing)(qing)(qing)(qing)量之間的(de)(de)(de)(de)鏈路。然而，儲(chu)存(cun)在(zai)活性炭中(zhong)的(de)(de)(de)(de)氫(qing)(qing)(qing)(qing)(qing)的(de)(de)(de)(de)量仍(reng)然受(shou)到分子氫(qing)(qing)(qing)(qing)(qing)與孔壁表(biao)面之間弱相互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)限(xian)制。理想的(de)(de)(de)(de)活性炭儲(chu)氫(qing)(qing)(qing)(qing)(qing)材料具有與吸附氫(qing)(qing)(qing)(qing)(qing)分子儲(chu)存(cun)相互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)高表(biao)面積(ji)。

　　因此，在本研究中，我們(men)利(li)用活(huo)(huo)性炭(tan)前體的(de)類型(xing)與(yu)*終活(huo)(huo)性炭(tan)的(de)性質之(zhi)間的(de)關系來生成(cheng)(cheng)一組(zu)具有高表(biao)面積、高水平(ping)微孔(kong)(kong)率、高氧含量和相似孔(kong)(kong)徑的(de)多(duo)孔(kong)(kong)碳。并(bing)研究了富氧活(huo)(huo)性炭(tan)的(de)特(te)性及其吸氫(qing)性能(neng)，并(bing)將(jiang)其與(yu)其它(ta)材料(liao)(liao)進行了比較(jiao)。為了探測表(biao)面氧對活(huo)(huo)性炭(tan)氫(qing)吸收性能(neng)的(de)影響，我們(men)設計了活(huo)(huo)性炭(tan)合成(cheng)(cheng)方法來生成(cheng)(cheng)高氧含量的(de)材料(liao)(liao)。因此，我們(men)使用醋酸纖維(wei)素，它(ta)被稱為CA(并(bing)且(qie)具有0.93的(de)O/C原(yuan)子(zi)比)作為起始材料(liao)(liao)，而(er)不是0.83的(de)O/C比纖維(wei)素。

　　多孔活性炭

　　合成富氧活性炭，石墨化(hua)(hua)水(shui)平低。活性炭顯(xian)示(shi)孔(kong)(kong)隙率(lv)(lv)(lv)主要(yao)來自微(wei)(wei)孔(kong)(kong)高水(shui)平，用(yong)作(zuo)儲氫材料是(shi)(shi)有用(yong)的(de)。利(li)用(yong)氮吸(xi)(xi)附(fu)分析(xi)檢測活性炭的(de)孔(kong)(kong)隙率(lv)(lv)(lv)。如圖1所示(shi)a所示(shi)。所有三個樣品都顯(xian)示(shi)了(le)通(tong)常從微(wei)(wei)孔(kong)(kong)材料中獲得的(de)I型等(deng)溫(wen)線。活化(hua)(hua)溫(wen)度從6000開始℃變化(hua)(hua)到700℃，吸(xi)(xi)附(fu)氮量（碳中孔(kong)(kong)隙率(lv)(lv)(lv)）顯(xian)著增加(jia)，然(ran)后在800℃樣品下降。然(ran)而，等(deng)溫(wen)線的(de)形狀幾乎沒有變化(hua)(hua)，這表明盡管孔(kong)(kong)隙率(lv)(lv)(lv)大大增加(jia)，但仍保持微(wei)(wei)孔(kong)(kong)的(de)水(shui)平。活性炭增加(jia)的(de)總孔(kong)(kong)隙率(lv)(lv)(lv)通(tong)常與等(deng)溫(wen)線形狀的(de)變化(hua)(hua)有關，特別是(shi)(shi)加(jia)寬吸(xi)(xi)附(fu)。

　　活(huo)(huo)性炭的孔(kong)隙率。活(huo)(huo)化(hua)碳標(biao)記為CA-4T，其中4是(shi)活(huo)(huo)化(hua)KOH/碳比(bi)，T是(shi)活(huo)(huo)化(hua)溫度。氮吸附(fu)等溫線(xian)顯(xian)示(a)以及相應的孔(kong)徑分布曲線(xian)(b)。

　　活(huo)性炭的氫儲存能力

　　活(huo)(huo)(huo)性炭(tan)(tan)中的(de)(de)(de)(de)(de)氫(qing)(qing)(qing)儲存需(xu)要(yao)具(ju)有(you)*大表(biao)(biao)面積和(he)適當尺(chi)寸(cun)的(de)(de)(de)(de)(de)孔。在(zai)-196和(he)25℃使用重(zhong)量法HidenXEMIS在(zai)0-30巴的(de)(de)(de)(de)(de)壓力范(fan)圍(wei)內(nei)研究(jiu)活(huo)(huo)(huo)性炭(tan)(tan)的(de)(de)(de)(de)(de)儲氫(qing)(qing)(qing)能(neng)力。圖2顯示了活(huo)(huo)(huo)性炭(tan)(tan)在(zai)-196℃過量和(he)總氫(qing)(qing)(qing)吸(xi)(xi)收(shou)(shou)等溫線。對于(yu)所有(you)CA-4T氫(qing)(qing)(qing)吸(xi)(xi)收(shou)(shou)是(shi)可逆的(de)(de)(de)(de)(de)，沒(mei)有(you)滯后，在(zai)0-30巴的(de)(de)(de)(de)(de)壓力范(fan)圍(wei)內(nei)沒(mei)有(you)飽和(he)。首先，我(wo)們(men)注意到1巴的(de)(de)(de)(de)(de)氫(qing)(qing)(qing)吸(xi)(xi)收(shou)(shou)非常令人印象(xiang)深刻(ke).1-3.9wt在(zai)%的(de)(de)(de)(de)(de)范(fan)圍(wei)內(nei)。這(zhe)種(zhong)(zhong)儲氫(qing)(qing)(qing)比任何在(zai)2-3重(zhong)量%范(fan)圍(wei)內(nei)的(de)(de)(de)(de)(de)報告高(gao)(gao)(gao)得(de)多。我(wo)們(men)將這(zhe)種(zhong)(zhong)特別高(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)吸(xi)(xi)收(shou)(shou)特性歸因(yin)于(yu)非常高(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)微(wei)(wei)孔表(biao)(biao)面積和(he)富(fu)氧(yang)表(biao)(biao)面的(de)(de)(de)(de)(de)組(zu)合，特別是(shi)3.9重(zhong)量%的(de)(de)(de)(de)(de)活(huo)(huo)(huo)性炭(tan)(tan)樣品CA-4700。富(fu)氧(yang)表(biao)(biao)面的(de)(de)(de)(de)(de)作(zuo)用是(shi)活(huo)(huo)(huo)性炭(tan)(tan)樣品CA-4600，雖然總表(biao)(biao)面積和(he)微(wei)(wei)孔表(biao)(biao)面適中，但(dan)其吸(xi)(xi)收(shou)(shou)率仍遠高(gao)(gao)(gao)于(yu)以前發(fa)現的(de)(de)(de)(de)(de)活(huo)(huo)(huo)性炭(tan)(tan)材料。研究(jiu)發(fa)現，有(you)氧(yang)官能(neng)團(tuan)的(de)(de)(de)(de)(de)活(huo)(huo)(huo)性炭(tan)(tan)效果預計在(zai)低壓下(xia)*大，氫(qing)(qing)(qing)與表(biao)(biao)面的(de)(de)(de)(de)(de)相互(hu)作(zuo)用比在(zai)高(gao)(gao)(gao)壓下(xia)更(geng)重(zhong)要(yao)，氫(qing)(qing)(qing)通過空間填(tian)充(chong)機(ji)制更(geng)有(you)可能(neng)被吸(xi)(xi)收(shou)(shou)。

　　-196℃過量的活性炭和總氫吸收。

　　利(li)用醋酸(suan)纖維素(su)(su)的(de)(de)水熱碳化產(chan)生水合(he)物，在(zai)(zai)活(huo)(huo)(huo)化過程(cheng)中產(chan)生富氧(yang)(yang)活(huo)(huo)(huo)性炭。這種活(huo)(huo)(huo)性炭表觀面(mian)積很高(gao)，表面(mian)積大部分，微孔產(chan)生率達到(dao)92%。活(huo)(huo)(huo)性炭只(zhi)有一小部分大于2納米的(de)(de)孔。通(tong)過IR和(he)(he)XPS氧(yang)(yang)官能團已被(bei)證(zheng)實(COOH，C-OH和(he)(he)O-C=O)的(de)(de)存在(zai)(zai)。與其他前體（如纖維素(su)(su)、木質素(su)(su)、鋸(ju)末、淀粉(fen)等）制成的(de)(de)活(huo)(huo)(huo)性炭進行(xing)比(bi)較分析，表明(ming)醋酸(suan)纖維素(su)(su)衍(yan)生的(de)(de)活(huo)(huo)(huo)性炭富含氧(yang)(yang)氣和(he)(he)高(gao)微孔。活(huo)(huo)(huo)性炭在(zai)(zai)-196°C重量儲(chu)氫(qing)能力增強，高(gao)達8.1wt%(總吸(xi)(xi)收)和(he)(he)7.0wt20巴(過度(du)吸(xi)(xi)收)在(zai)(zai)30巴下升(sheng)至8.9wt%(總吸(xi)(xi)收)和(he)(he)7.2wt%(過度(du)吸(xi)(xi)收)。活(huo)(huo)(huo)性炭在(zai)(zai)室(shi)溫下也表現出優異的(de)(de)氫(qing)吸(xi)(xi)收。這些足以證(zheng)明(ming)富氧(yang)(yang)活(huo)(huo)(huo)性炭優秀的(de)(de)儲(chu)氫(qing)能力。