碳质材料储氢的研究现状和发展动态

摘 要：氢能是一种清洁无污染的能源，在能源形势日趋紧张，环境污染越来越严重的情况下，人们越来越重视清洁、环保的可再生能源的研究，因此人们开始对氢能进行大量的研究。本文对碳质储氢材料的研究现状进行了介绍，并且探讨了其未来的发展动态。

关键词：储氢材料;碳质材料;储氢;发展

当今社会，能源对于人们的生存和发展都有着非常重要的作用，而随着社会的发展，全球能源供应日益紧张，同时也带来了比较大的环境污染问题。在能源形式和环境日益恶化的背景下，人们开始开发可再生的清洁能源。氢能是一种可再生的能源，而且清洁无污染，因此获得了人们的广泛关注，成为了当前研究人员研究的重点内容。为了实现氢能的大规模应用，一方面要实现氢的规模制备，这是氢能应用的基础;另一方面则需要实现氢的规模储存，这是氢能应用的关键。由于氢在常温下是气态的，其密度仅为空气的1/14，因此氢能的储存比较困难，如何实现氢能的存储成为了当前研究的重点问题。碳质材料可以作为储氢载体，本文对碳质材料储氢技术进行了介绍。

1 储氢技术

储氢技术可以分为两大类，分别是物理储氢和化学储氢。其中，物理储氢包括液氢储存、活性炭吸附储存、碳纳米管储存、高压储氢等;化学储氢包括金属氢化物储存、无机物储存以及有机液态氢化物储存等。为了达到氢能实际应用的效果，在实现氢的规模化储存的基础上，还需要满足吸放氢条件温和、较低的储存成本以及较大的储氢容量等三方面的特点。基于上述要求，当前的主要储氢方法包括液化储存、金属储存、压缩储存和吸附储存等，这些储氢方法各有特点，在这些储存方法中最受关注的是吸附储存方法，吸附储存具有以下几方面的优点：首先，其工作压力比较低，安全性比较好;其次，储存容器比较轻，方便运输和使用;第三，具有较大的形状选择余地，最后具有较低的成本，正是由于这些特点，物理吸附储氢被人们寄予厚望，是目前最具应用前景的储氢方式。在吸附储氢中，碳吸附材料具有质量较强、对少量气体杂质不敏感以及能够重复使用等方面的优点，这些都是碳吸附材料在储氢中有着不错的应用效果[1]。

2 碳质材料吸附储氢

2.1 碳纳米管吸附储氢

碳纳米管可以用于储氢，主要是由于其比表面积较大的这一特点，而且对氢有物理和化学的吸附作用。碳纳米管是典型的层状中空结构，其管径可以达到纳米级，由于其比表面积较大，同时特殊的管道结构及多壁碳管之间的芯部和表面都有大量的分子级细孔，使其具有较强的吸附能力，可以用于气体的吸附，从而使比较理想的储氢材料。人们对于碳纳米管储氢进行了比较多的研究，现在主要的方式包括气固储氢和电化学储氢等两种。

气固储氢是研究可以追溯到1997年，Dillon等人研究了單碳纳米管的储氢性能[2]。随后人们对气固储氢进行了比较多的研究，包括计算单壁碳纳米管的管径在4.0～5.0nm时管内氢分子平均数密度达最大值;测定在不同温度条件下，氢等离子体和单碳纳米管之间的反应，并基于此研究氢化后单碳纳米管具有的性质;此外，还有人对于单碳纳米管储氢是的氢化度进行测定。就当前的研究成果而言，单碳纳米管储氢的质量比储氢容量能够超过7%，明显超过合金储氢材料。除了气固储氢外，碳纳米管另外一种储氢方式是电化学法，应用这种方法能够在比较温和的条件下进行储氢，常温常压就可以实现，可以通过电压来对储氢量进行控制。

2.2 碳纳米纤维吸附储氢

碳纳米纤维是一种良好的碳质储氢材料，其和碳纳米管一样，都具有非常高的比表面积，能够将氢气吸附在表面，同时为氢气进入碳纳米纤维提供通道。相较于氢分子的动力学直径，碳纳米纤维的层间距要大得多，这样其层面之间就能够储存大量的氢气。碳纳米纤维结构也具有中空管，因此具备毛细吸附性能，基于这一性能可以使氢气凝结在中空管中，这样就使得碳纳米纤维具有非常好的储氢能量。研究显示，碳纳米纤维能够在常温下实现对于氢气的吸附和解析，相关试验表明其吸附率可以达到9.99w/%，相较于常用的储氢合金，如LaNi5，碳纳米纤维的储氢能力要强得多。相关研究人员对于碳纳米纤维吸附储氢进行了大量的研究，最近新研究出一种“碳化鸡毛纤维”的新型储氢方法，这种方法能够实现氢气的大量储存，同时价格非常低廉，使其具有非常好的发展前景[3]。

2.3 高比表面积活性炭吸附储氢

活性炭是一种常用的吸附材料，高比表面积活性炭相较于普通的活性炭，比表面积更大，其具有多孔性，具有高度发达的内部空隙结构，使其具有非常大的比表面积，由于这一结构特性，使其吸附能力非常的强[4]。高比表面积活性炭储氢利用了范德华力，其巨大的表面积和氢分子间具有范德华力，基于这个力其能够实现对于氢气的吸附，这是一种超临界气体吸附。高比表面积活性炭储氢能力和其表面积和温度有关，其表面积越大则能够吸附更多的氢气，二者之间呈现出正比例的关系，温度对于其吸附氢气的能力也有比较大的影响，温度越高，其吸氢能力越弱。相关研究显示，应用表面积为3000m2/g的超级活性炭进行储氢，在温度为-196℃，压力为 3MPa的情况下，储氢密度能够达到5wt %。

2.4 纳米石墨吸附储氢

在近些年的研究中，人们对纳米石墨储氢性能进行了大量的研究，并且取得了比较一定的进展。Orimo S等通过试验对纳米石墨的储氢能力进行了研究。其在1MPa氢气气氛中应用机械球磨法来进行纳米石墨粉的制备工作，通过实验发现，球磨时间越长则纳米石墨的储氢密度也就越大，在球磨时间达到80h以后，其氢密度能够达到7.4wt%，采用热分析对其进行分析可以得到两个峰，解吸温度在377～677℃。

相关研究还显示，采用金属可以催化石墨的储氢性能，Isobe等采用试验的方式对于金属对于石墨储氢性能的催化作用进行了研究。其将1wt%的Co、Ni和Cu分别与石墨混合，然后使混合物在不锈钢球磨罐中进行球磨储氢;其在球磨进行了32h以后，检测了物料中的Fe含量。通过试验，其认为通过Fe的催化作用，可以有效的提高石墨的出储氢能力。

2.5 富勒烯吸附储氢

富勒烯吸附氢的原理是其能够和氢气发生反应，富勒烯能够吸附大量氢气，并与之反应生成富勒烯氢化物，或者是形成内嵌富勒烯包合物，从而达到储氢氢气的效果。氢和富勒烯氢化物之间的反应是可逆的，通过加热，就能够使富勒烯氢化物或者是内嵌富勒烯包合物分解，释放出氢气。但是，碳材料表面吸附氢分子的能力比较弱，因此在常温常压下，其吸附氢气的能力很难满足实际的使用需求，因此相关研究人员对碳原子进行了表面改性，通过在富勒烯表面覆盖轻碱土金属来改变其储氢性质，相关实验表明，通过在C60表面覆盖钙能够有效地提升其储氢密度。

3 结语

随着人类社会的发展，尤其是工业化的不断突进，人们对于能源的需求不断增加，而人们广泛应用的化石能源，包括石油、煤炭和天然气等是不可再生的，在人们长期开发和利用的情况下，储存量不断下降，导致能源形势日趋严峻，同时化石燃料燃烧会对环境造成比较大的污染。在这样的情况下，人们开始开发清洁可再生的新能源，氢气是一种具有较高能量和储量的能源，而且完全没有污染，因此獲得了人们的广泛关注。为了实现氢气的大规模应用，需要实现规模化的储氢，因此人们对储氢技术进行了大量的研究。碳质储氢材料具有良好的储氢性能，因此人们对于其进行了大量的研究，但是当前的研究还处于初级阶段，还难以实现规模化生产，还需要进一步研究，通过加强碳材料储氢机理研究，对碳材料的制备、后处理和表征技术技术研究，提高室温、常压下的吸附量，从而实现氢气的应用。

参考文献：

[1]朱富慧.储氢材料发展现状[J].中国科技博览，2014（26）： 291-291.

[2]刘美琴，李奠础，乔建芬，等.氢能利用与碳质材料吸附储氢技术[J].化工时刊，2013（11）：39-42.

[3]曲海芹，娄豫皖，杜俊霖，等.碳质储氢材料的研究进展[J].材料导报，2014，028（013）：69-71，77.

[4]杨明，王圣平，张运丰，等.储氢材料的研究现状与发展趋势[J].硅酸盐学报，2011，039（007）：1053-1060.

作者简介：

耿文博（1999- ），男，汉族，河北保定人，本科在读，学生，专业：材料化学，学校：内蒙古科技大学材料与冶金学院，材料化学专业。