富(fu)氧活性炭的儲氫能力

　　富氧活性炭的儲氫能力(li)已被廣泛研究(jiu)用于儲氫，但到目前(qian)為(wei)止，它們的儲存能力(li)似乎(hu)有(you)上限。在這里(li)，為(wei)了(le)避免這個上限，我們研究(jiu)了(le)富(fu)氧活性(xing)炭(tan)的能力(li)。本文介紹(shao)了(le)醋酸纖維素制成的活性(xing)炭(tan)，結(jie)合各種優點，具有(you)高表(biao)面(mian)積(ji)和(he)孔(kong)(kong)(kong)隙體積(ji)，其自身孔(kong)(kong)(kong)隙幾(ji)乎(hu)完全具有(you)微孔(kong)(kong)(kong)特(te)性(xing)(微孔(kong)(kong)(kong)含量(liang)超過90%)，具有(you)富(fu)氧特(te)性(xing)。

　　氫(qing)作(zuo)(zuo)為機(ji)動車輛中的(de)(de)(de)(de)汽油燃(ran)料(liao)(liao)(liao)(liao)，具(ju)有(you)一(yi)定的(de)(de)(de)(de)吸引力(li)，作(zuo)(zuo)為氫(qing)經濟的(de)(de)(de)(de)一(yi)部分。與目前(qian)使用的(de)(de)(de)(de)化(hua)石燃(ran)料(liao)(liao)(liao)(liao)相(xiang)比(bi)，氫(qing)作(zuo)(zuo)為燃(ran)料(liao)(liao)(liao)(liao)具(ju)有(you)更(geng)有(you)利(li)的(de)(de)(de)(de)優勢(shi)，包(bao)括潛在(zai)的(de)(de)(de)(de)可(ke)再(zai)生和(he)(he)對環(huan)境友(you)好性(xing)（氫(qing)燃(ran)燒或電化(hua)學氧化(hua)的(de)(de)(de)(de)**副產(chan)品是(shi)(shi)水，這(zhe)將減(jian)少CO2排(pai)放)，以及具(ju)有(you)高重量(liang)能(neng)量(liang)密(mi)度。然(ran)而，氫(qing)作(zuo)(zuo)為一(yi)種可(ke)行的(de)(de)(de)(de)車輛燃(ran)料(liao)(liao)(liao)(liao)，在(zai)運輸和(he)(he)應用中存(cun)在(zai)一(yi)些問題。因(yin)此，儲存(cun)固體材料(liao)(liao)(liao)(liao)中的(de)(de)(de)(de)氫(qing)是(shi)(shi)更(geng)好地(di)使用氫(qing)的(de)(de)(de)(de)關(guan)鍵。氫(qing)吸收的(de)(de)(de)(de)*重要因(yin)素是(shi)(shi)表面積、孔(kong)體積和(he)(he)孔(kong)徑。特別是(shi)(shi)儲存(cun)在(zai)活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)氫(qing)量(liang)之間的(de)(de)(de)(de)鏈路(lu)。然(ran)而，儲存(cun)在(zai)活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)中的(de)(de)(de)(de)氫(qing)的(de)(de)(de)(de)量(liang)仍然(ran)受到分子氫(qing)與孔(kong)壁表面之間弱相(xiang)互作(zuo)(zuo)用的(de)(de)(de)(de)限制。理(li)想的(de)(de)(de)(de)活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)儲氫(qing)材料(liao)(liao)(liao)(liao)具(ju)有(you)與吸附氫(qing)分子儲存(cun)相(xiang)互作(zuo)(zuo)用的(de)(de)(de)(de)高表面積。

　　因此，在本研(yan)究中，我們利用(yong)活(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)前體的類型與*終活(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)的性(xing)(xing)(xing)質之間的關系來(lai)生(sheng)成一組具有高(gao)表面積、高(gao)水平微孔(kong)率(lv)、高(gao)氧含量和相似孔(kong)徑的多孔(kong)碳(tan)。并研(yan)究了(le)富氧活(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)的特性(xing)(xing)(xing)及其吸(xi)氫性(xing)(xing)(xing)能，并將其與其它材(cai)料(liao)進行了(le)比較。為(wei)了(le)探測表面氧對活(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)氫吸(xi)收性(xing)(xing)(xing)能的影響，我們設(she)計了(le)活(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)合成方法來(lai)生(sheng)成高(gao)氧含量的材(cai)料(liao)。因此，我們使用(yong)醋酸纖(xian)維素，它被稱(cheng)為(wei)CA(并且具有0.93的O/C原子比)作為(wei)起始材(cai)料(liao)，而(er)不(bu)是(shi)0.83的O/C比纖(xian)維素。

　　多孔活性炭

　　合(he)成(cheng)富(fu)氧活性炭(tan)(tan)，石墨(mo)化(hua)(hua)水平(ping)低。活性炭(tan)(tan)顯示孔(kong)隙(xi)率(lv)(lv)主要來自微(wei)孔(kong)高水平(ping)，用(yong)(yong)作儲氫(qing)材(cai)料是有(you)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)。利用(yong)(yong)氮(dan)吸(xi)附分(fen)析檢測活性炭(tan)(tan)的(de)(de)(de)孔(kong)隙(xi)率(lv)(lv)。如(ru)圖1所(suo)示a所(suo)示。所(suo)有(you)三個樣品都顯示了通(tong)常(chang)從微(wei)孔(kong)材(cai)料中獲得的(de)(de)(de)I型等溫(wen)線(xian)(xian)。活化(hua)(hua)溫(wen)度(du)從6000開(kai)始℃變(bian)(bian)化(hua)(hua)到700℃，吸(xi)附氮(dan)量（碳中孔(kong)隙(xi)率(lv)(lv)）顯著(zhu)增(zeng)(zeng)加，然后在800℃樣品下降。然而，等溫(wen)線(xian)(xian)的(de)(de)(de)形狀幾乎沒(mei)有(you)變(bian)(bian)化(hua)(hua)，這表明盡管孔(kong)隙(xi)率(lv)(lv)大大增(zeng)(zeng)加，但仍(reng)保持微(wei)孔(kong)的(de)(de)(de)水平(ping)。活性炭(tan)(tan)增(zeng)(zeng)加的(de)(de)(de)總(zong)孔(kong)隙(xi)率(lv)(lv)通(tong)常(chang)與等溫(wen)線(xian)(xian)形狀的(de)(de)(de)變(bian)(bian)化(hua)(hua)有(you)關，特別是加寬吸(xi)附。

　　活性炭(tan)的孔(kong)隙率。活化(hua)碳標記為(wei)CA-4T，其中4是活化(hua)KOH/碳比，T是活化(hua)溫(wen)度。氮吸附等(deng)溫(wen)線(xian)顯示(shi)(a)以及相應的孔(kong)徑分布曲(qu)線(xian)(b)。

　　活性(xing)炭的(de)氫(qing)儲存能力

　　活(huo)性(xing)炭(tan)中的(de)(de)氫(qing)儲(chu)存需要具有*大表(biao)(biao)(biao)面(mian)積和(he)適當(dang)尺寸的(de)(de)孔。在(zai)(zai)(zai)-196和(he)25℃使(shi)用(yong)重(zhong)量法(fa)HidenXEMIS在(zai)(zai)(zai)0-30巴的(de)(de)壓(ya)力范(fan)圍(wei)(wei)內研(yan)究(jiu)活(huo)性(xing)炭(tan)的(de)(de)儲(chu)氫(qing)能力。圖2顯(xian)示(shi)了(le)活(huo)性(xing)炭(tan)在(zai)(zai)(zai)-196℃過(guo)(guo)量和(he)總氫(qing)吸(xi)收(shou)(shou)等溫線。對于所有CA-4T氫(qing)吸(xi)收(shou)(shou)是可逆的(de)(de)，沒有滯(zhi)后，在(zai)(zai)(zai)0-30巴的(de)(de)壓(ya)力范(fan)圍(wei)(wei)內沒有飽和(he)。首先，我們注意到1巴的(de)(de)氫(qing)吸(xi)收(shou)(shou)非常令人印象深刻(ke).1-3.9wt在(zai)(zai)(zai)%的(de)(de)范(fan)圍(wei)(wei)內。這(zhe)種儲(chu)氫(qing)比任何(he)在(zai)(zai)(zai)2-3重(zhong)量%范(fan)圍(wei)(wei)內的(de)(de)報告高(gao)(gao)得(de)多。我們將這(zhe)種特(te)別高(gao)(gao)的(de)(de)吸(xi)收(shou)(shou)特(te)性(xing)歸因(yin)于非常高(gao)(gao)的(de)(de)微孔表(biao)(biao)(biao)面(mian)積和(he)富氧(yang)表(biao)(biao)(biao)面(mian)的(de)(de)組(zu)合，特(te)別是3.9重(zhong)量%的(de)(de)活(huo)性(xing)炭(tan)樣(yang)品CA-4700。富氧(yang)表(biao)(biao)(biao)面(mian)的(de)(de)作用(yong)是活(huo)性(xing)炭(tan)樣(yang)品CA-4600，雖然總表(biao)(biao)(biao)面(mian)積和(he)微孔表(biao)(biao)(biao)面(mian)適中，但其吸(xi)收(shou)(shou)率仍遠高(gao)(gao)于以前發現(xian)的(de)(de)活(huo)性(xing)炭(tan)材料。研(yan)究(jiu)發現(xian)，有氧(yang)官能團的(de)(de)活(huo)性(xing)炭(tan)效果(guo)預計(ji)在(zai)(zai)(zai)低壓(ya)下*大，氫(qing)與表(biao)(biao)(biao)面(mian)的(de)(de)相互作用(yong)比在(zai)(zai)(zai)高(gao)(gao)壓(ya)下更重(zhong)要，氫(qing)通過(guo)(guo)空間填充機制更有可能被(bei)吸(xi)收(shou)(shou)。

　　-196℃過量的(de)活性炭和總氫吸收。

　　利用醋酸纖維(wei)(wei)素的(de)水(shui)熱碳化產生(sheng)水(shui)合物，在(zai)活化過(guo)程中(zhong)產生(sheng)富(fu)(fu)氧活性(xing)炭(tan)(tan)(tan)。這種活性(xing)炭(tan)(tan)(tan)表(biao)觀面積(ji)很(hen)高，表(biao)面積(ji)大(da)部(bu)分(fen)，微(wei)孔產生(sheng)率達到92%。活性(xing)炭(tan)(tan)(tan)只(zhi)有一小部(bu)分(fen)大(da)于2納米(mi)的(de)孔。通過(guo)IR和XPS氧官能(neng)(neng)團(tuan)已被證(zheng)實(COOH，C-OH和O-C=O)的(de)存在(zai)。與其他(ta)前(qian)體（如纖維(wei)(wei)素、木(mu)質素、鋸末、淀粉等）制成的(de)活性(xing)炭(tan)(tan)(tan)進行比較分(fen)析，表(biao)明(ming)醋酸纖維(wei)(wei)素衍生(sheng)的(de)活性(xing)炭(tan)(tan)(tan)富(fu)(fu)含氧氣和高微(wei)孔。活性(xing)炭(tan)(tan)(tan)在(zai)-196°C重(zhong)量儲氫能(neng)(neng)力增強，高達8.1wt%(總吸(xi)收(shou))和7.0wt20巴(過(guo)度吸(xi)收(shou))在(zai)30巴下(xia)升至8.9wt%(總吸(xi)收(shou))和7.2wt%(過(guo)度吸(xi)收(shou))。活性(xing)炭(tan)(tan)(tan)在(zai)室溫下(xia)也表(biao)現出優(you)異的(de)氫吸(xi)收(shou)。這些(xie)足以證(zheng)明(ming)富(fu)(fu)氧活性(xing)炭(tan)(tan)(tan)優(you)秀的(de)儲氫能(neng)(neng)力。