物理（化学）吸附储氢的技术优势和发展趋势

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：多孔材料因其巨大的表面积，可以依据范德华力原理吸附分子态或原子态的气体。据说还有储氢浓度达到75%的材料）。提纯碳纳米结构的超高成本仍然是这种储氢技术实用化的主要障碍。凝胶，比如硅凝胶，因其价格低廉而受到青睐。

多孔材料（如活性炭）因其巨大的表面积，可以依据范德华力原理（VdeW）吸附分子态或原子态的气体。下面我们首先介绍碳基材料，然后再介绍其他类型的适宜此类应用的多孔材料。

5.5.1.1 碳基多孔材料

除了活性炭之外，还有其他的很多多孔炭和纳米结构炭被研究，且被认为是很有潜力的高性能储氢材料，有的性能甚至是特别的高（如富勒烯，纳米管-单壁纳米管或多壁纳米管：SWNT、MWNT，“鱼骨结构碳”，锥形体等。据说还有储氢浓度达到75%的材料）。区分分子间的范德华力和化学键是很必要的，化学键通常是含金属的材料发生残余应力聚集的驱动力，以催生碳纳米结构生长。自从2000年之后，相关研究得到的性能指标数据较为适度（尤其是由金属氢化物专家发布的数据），特别是一些在常温环境下的数据。

目前可以确定，优化后的单壁碳纳米管类型的碳纳米结构在常温常压下的性能最优，其储氢密度为1%～2%。而且，物理键不会导致热解吸，这种解吸过程在很大一个温度区间内都会发生，甚至在比环境温度还高的温度下也能发生。提纯碳纳米结构的超高成本仍然是这种储氢技术实用化的主要障碍。

其他加入或者不加入催化粒子的、超高孔隙率（大于2000m²/g）的纳米石墨结构也在研发之中。这些结构的孔隙率甚至可以通过机械工艺来提高，比如球磨工艺（BM）或者机械合成方法。有报道称，在环境温度下就可以将储氢能力提高2%～3%，而在低温（比如77K）时，其物理吸附能力也非常乐观：在50bar压力下，大于7%；在100bar压力下，可达到10%左右。这个结果之所以令人感兴趣，是因为它与压缩氢气的参数吻合。不过不要忘记，这些纳米石墨结构需要保存在液氮温度（为了避免丧失吸附氢气分子的能力），而且必须运行在一定的压力（100bar）之下。因此，理论的储存能量会因此最多减少10%；减少部分的用于冷却至77K的能量上，而消耗在氢气压缩上。同时，还需要根据需求加热低温容器，而且必须增加温度和压力控制系统，以使储氢、放氢过程正常运行。

对于大规模应用来说，碳纳米结构低温储氢的效率低于液化容器储氢，但是在储存时消耗的能量方面占有优势（比液氢储存的损耗低3倍左右）。而且安全性也是一个关键因素，液化容器壳体承受压力和低温，建造难度大，需要协调多种参数的设计以满足要求。当然，活性炭的工业化应用成本也需要考虑进来，目前约为70欧元/kg。

5.5.1.2 分子材料和其他物理吸附剂

与前面的材料相比，硼氮化合物纳米管和其他纳米结构在储氢性能上的效果并不突出，但经济性要更好一些。

凝胶，比如硅凝胶，因其价格低廉而受到青睐。不过，由于有限的比表面积（1000m²/g）制约了性能的提高，相关的研究仍在继续进行之中。还有某种沸石类材料，价格低、热鲁棒性好，也受到关注，不过其性能中等，储氢密度至多能达到2%～2.5%。玻璃态微米球是第三类具有先天价格优势的材料，微米球在高压氢气下达到饱和吸附状态，然后在环境温度下释放，氢气热致还原。现在的主要问题是如何控制这种微容器的活化过程。

我们也可以列举出其他形形色色的材料，比如多孔金属非晶材料，还有氢化物浆（碱金属精细颗粒和复合油的混合物）。这些储氢技术的效率一般，但是当对储氢的耐久性和经济性已有明确要求的小规模固定式应用来说，这些储氢方案还是可行的。

最近崭露头角的一类材料是分子有机框架（MOF）。它是由与不同类型的金属离子结合的配位体和有机复合自由基形成的大结构实体。这类材料通过超大网格形成的、大构架笼形结构获得晶格化。这些穴孔提供了巨大的比表面积（大于8000m²/g），使得物理吸附氢分子成为可能；而MOF也可以形成化学键。一些构成分子很便宜，比如金属氧化物。报道的性能较高（储氢密度大于8%），不过鉴于其储氢过程实质上仍然是物理吸附，与那些纳米碳结构所采用的吸氢方法相似，即都是在低温下捕获氢。目前，大量的研究正在致力于此类材料的研究，但其长效性能还有待验证，特别是吸氢和释氢过程是否存在风险、这种分子的生物兼容性如何等。

5.5.1.2 分子材料和其他物理吸附剂

与前面的材料相比，硼氮化合物纳米管和其他纳米结构在储氢性能上的效果并不突出，但经济性要更好一些。

物理（化学）吸附储氢的技术优势和发展趋势

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