碳基储氢材料|有机物储氢材料|储氢合金|配位氢化物储氢材料的储氢原理及其应用

   随着碳基材料的问世，它的应用就一直十分的广泛。它不仅在电子方面有极其重要的作用，而且它在电子领域和清洁能源的储氢方面都发挥着至关重要的作用。

碳基储氢材料是一种新型的储氢材料，碳基储氢材料主要有活性碳储氢材料，碳纤维储氢材料、碳纳米管储氢材料。碳基储氢材料主要是利用其独特的内部结构，通过物理和化学吸附来储氢的，介绍碳基储氢材料的相关背景，并对比多种当今世界上十分流行的储氢方法；简述了碳基储氢料储氢机理，同时分析了影响储氢量的主要因素，总结了碳基储氢材料在工业生产的实际应用。

储氢材料可以大致划分为四大类：碳基储氢材料、有机物储氢材料、储氢合金，配位氢化物储氢材料。碳基储氢材料主要包括有活性碳储氢材料，碳纤维储氢材料、碳纳米管储氢材料。 有机物储氢材料用的：一些有机物的氢化物、苯、甲苯、甲基环己烷、萘等储氢合金主要包括：鎂系，稀土系，钛系，Laves相系配位氢化物储氢材料：主要是由碱金属（Li,Na,K）或碱土金属（Mg,Ca）与第三主族元素（B,Al），常见的主要有LiAlH4，LiBH4，NaBH4，KBH4[3]。

  活性碳储氢材料

活性炭储氢材料被发现于20世纪中后期，它主要是根据活性碳的比表面积非常高，在满足是温度较为缓和，压强偏大的情形下可以大量吸附氢气的原理。活性炭（AC）的结构是疏松多孔的，所以内部比表面积很大，活性炭储氢特点是抗酸和抗碱性都非常的强，可吸附量也十分大，释放和吸附容易，在温度较高的情况下，其解吸再生的晶体结构基本上没有发生变化、在温度波动较大的情况下，依然可以保持其相对稳定的物理化学结构，即使经过多次解吸操作后依然可以保持本身的吸附性能不发生较大的变化[7]。

活性炭中间存在着许多大小和形状的不同的小孔，根据孔的大小可以大致可以分为3类：一类是孔径小于2nm的微孔，它又可以分为2类孔：孔径0.7~2nm的超微孔和孔径小于0.7nm的极微孔，微孔的构成主要是毛细管壁，不同大小的孔，它的构成也会有较大的不同，所以材料的表面积和吸附量都十分的大。第二类是2~50nm的中孔，它的基本作用就是作为被吸附分子达到吸附点的通道和控制吸附速度的开关。第三类是孔径在50nm以上的大孔，它的作用和中孔是一样的。活性炭储氢技术和其他技术相比，它具有储量高，价格低，可大批量生产的特点，所以也是一种十分有潜力的储氢技术。

碳纤维储氢材料

石墨纳米纤维材料是某些碳化物经过催化剂作用在高温下条件下，催化分解而产生的。由于反应条件的差异，它也可以产生三类结构互异的石墨纳米纤维，它们分别是平板状，鱼骨状和管状。美国科学家Chambers等人在常温和压强11.35mpa的条件下，成功测出了这三类石墨纳米纤维的储氢量分别是53 wt% 、11 wt% 、67 wt%。但是到现在为止没人可以重复这个结果。Angela等人对石墨纳米纤维进行了多种预处理，在长期的实验中取得了非常好的效果，其中效果较好的就是在为室温，压强7.04mpa的条件下得过储氢较大质量分数也只有3.08%。因而很多科学家认为石墨纳米纤维不可能高度储氢。

碳纳米纤维是一种由石墨层和内管的轴成一定的角度而且其直径小于1000nm的碳纤维。它的表面存在很多分子级的细孔，内部存在有直径10nm左右的中空管，它的比表面积很大。大量的氢气可以储存在纳米管中，所以可能有超强的储氢能力。Fhai等人成功的制备出了两类直径大约是;一类80nm左右的新型的气相生长的纳米纤维材料。不经任何处理，在常温和压强为11mpa的条件下它的吸氢量在实验中可以达到质量分数的12%左右。第二类碳纳米纤维直径是90~125nm，在经过酒精和盐酸的共同作用，其储氢的质量分数也可以达到10%。范月英采用流动催化的方法，在常温和压强12mpa的条件下测出了它的储氢质量分数为13.6%。20世界90年初，日本科学家motojima利用金属镍作为催化剂，制得了一种新型的螺旋形炭纤维，因为它是一种手性材料，即具有电磁场交叉极化的特点，所以它可以成为储氢材料，也在其他许多领域有广泛的使用。上面很多数据都达到了美国能源局的标准，但还是没有被人从实验和理论证明过。所以还存在这很多实际问题需要解决。

碳纳米管材料

碳纳米管是日本物理学家饭岛澄男于1991年通过使用高分辨率的分析电镜在生产碳纤维的时候发现的。碳纳米管是一类拥有特殊结构的一维材料:它是一种特殊的管状的结构的碳分子，其中每个原子都是sp2杂化的，它们之间是通过碳–碳键结合起来的，构成以六边形状的蜂窝结构为骨架的碳基材料[4]。因为碳纳米材料在力学，电学等中有很多优良的性质，所以很快的成为了许多前沿科技的研究对象。碳纳米管具有非常大的比表面积，而且它本身拥有大量的微孔，它的储氢量也非常的大是许多传统的储氢材料无法比拟的。因而很快成为了储氢材料中的新贵。

碳纳米管按石墨烯片的层次可以划分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。按结构不同可以划分成以下3种：手性纳米管，扶手椅形纳米管和锯齿形纳米管。碳纳米管可以产生一些层距大约0.337nm的有斜口的层板。又因为氢气分子的力学直径只有0.289nm，小于层间距，所以它可以吸附氢气。因为纳米管内部有不计其数的尺度不一的微孔，在氢气接触到纳米管表面的时候，其中有部分的氢气被吸附在其的表面上，还有一部分因受到了毛细作用，氢气被压到了内部的微孔中，变成了固态。所以纳米管这种材料才可以储存如此庞大的氢量，其储氢的性能远远超过了传统的很多材料，如活性炭。另一边方面碳纳米管内部的层板与氢气的结合比较松动，当外面的压力出现变动时它可以很快的再次释放出吸附的氢气，而且其速度非常的快（大约半小时左右）。

很多科学家对纳米管的储氢进行了很多的研究，美国的科学家Dillon率先对没有经过任何提纯的SWNT（单壁碳纳米管）进行了吸附等多种性能的研究。他们是通过使用了程序升温脱附法（TPD）得到一系列的相关数据，他们推测在纯的单壁碳纳米管可以吸附较高的氢（5 wt%~10 wt%）在室温和40kpa的情况下。远远不是活性炭和纳米纤维可以比拟的[11]。他们经过许多数据的分析比对，他们认为单壁碳纳米管是世界上较好的储氢材料之一。中国沈阳材料科学国家（联合）实验室的刘畅教授在非常高温的条件下用盐酸对单壁纳米管进行处理真空处理，在温度为25度，压强是12mpa的条件下，得的其储氢的质量分数大约4~5%。 绝大部分的科学家都表示纳米管的吸附量和其内部结构有许多联系和一些制方法，催化剂有关。它的许多优良性能和良好的储氢能力使其成为重点的研究对象。

石墨烯

石墨烯是一种由碳原子构成六角形的单层片的新材料。它原子之间主要是碳–碳δ 键结合在一起的，通过sp2轨道杂合在一起的。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。；石墨烯目前是世上较薄却也是较坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300 W⁄(M.K)，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6 Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率较小的材料[5]。

石墨烯的分子结构十分稳定，因为其内部的原子的连接的十分的柔韧，在外部施加不超过其较大承受压力的时候，他们可以利用碳原子面变形来适应外力，而不必再通过重新排列。所以是石墨烯的结构十分的稳定。石墨烯是许多碳基材料的基本组成单元，例如石墨，碳纳米管，富勒烯（C60）和活性碳。本文把石墨烯单独作为一个内容来写，主要是石墨烯和生活生产很接近。且具有一定的独立性，可以通过对石墨烯的研究来跟家全面的认识碳基储氢材料。

二维的石墨烯是世界公认的较理想的储氢材料之一，随着石墨烯可以工业化生产，为石墨烯可以用于储氢提供了条件。由于氢气和石墨烯本身结合十分的弱，是属于传统的物理吸附。这个问题成为了石墨烯出清的另一个难题。直到2005年参杂的提出才是这个问题出现了解决方法。为了能够解决这个难题，很多科学家在不停努力着。liu利用密度泛函理论和一性原理得出许多理论计算值。这些数据表明掺杂的石墨烯和金属的相互作用与摻杂浓度有关，摻杂浓度越大相互作用也就越大。湘潭大学教授钟建新通过对摻杂过Mn的双层石墨烯研究发现摻杂可以改变片层的间距。加强其储氢的能力。可以通过加大层间距可以加大储氢能力是双层石墨烯也成为了比较理想的额储氢材料。

石墨烯由于在热学，电学，光学和机械方面的性能都十分的优秀。使石墨烯的引用非常的广泛。它主要的应用领域有储氢材料，纳米电子器件，太阳能电池，光子传感， 减少噪音等。

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