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碳纳米管储氢技术【摘要】碳纳米管储氢技术是一种新型的氢气存储技术，具有很大的潜力应用于能源领域。
本文首先介绍了碳纳米管的结构特点，包括其纳米级管状结构和优异的导电性能。
然后探讨了碳纳米管在储氢技术中的应用，包括其高效的氢气储存能力和提高氢气释放速率的作用。
接着分析了碳纳米管储氢技术的优势，如其轻量化、高效储氢和可再生的特点。
同时也指出了碳纳米管储氢技术所面临的挑战，包括制备成本高、氢气吸附能力需要进一步提高等问题。
最后展望了碳纳米管储氢技术的发展前景，强调了其在可再生能源和清洁能源领域的重要性和应用前景。
碳纳米管储氢技术有望成为未来氢能源领域的研究热点，为推动低碳经济发展做出贡献。
【关键词】碳纳米管、储氢技术、结构特点、应用、优势、挑战、发展前景、重要性、应用前景1. 引言1.1 碳纳米管储氢技术概述碳纳米管储氢技术是一种新兴的清洁能源技术，被广泛应用于储氢和氢能的领域。
随着全球能源问题的日益突出，碳纳米管储氢技术的研究和发展变得尤为重要。
碳纳米管具有独特的结构特点和优异的性能，在储氢技术中表现出很大潜力，可以有效解决氢能源储存和运输中的难题。
由于碳纳米管具有高比表面积、优异的导电性和热导性等特点，使得其成为理想的储氢材料之一。
碳纳米管储氢技术也面临着一些挑战，如储氢效率不高、安全性问题等，需要进一步的研究和改进。
未来，随着碳纳米管储氢技术的不断发展和完善，将有望在氢能领域发挥重要作用，并为推动清洁能源的发展做出重要贡献。
2. 正文2.1 碳纳米管的结构特点碳纳米管是一种具有独特结构特点的碳材料，其主要特点包括以下几个方面：1. 结构单一性：碳纳米管通常具有空心的圆柱形结构，其直径在数纳米至数十纳米之间，长度可达数微米至数毫米，其内部空腔可以容纳氢气等气体分子。
2. 高比表面积：碳纳米管表面积巨大，因其多孔结构使得其比表面积极高，有利于氢气分子在其表面吸附和储存。
3. 高强度和柔韧性：碳纳米管具有极高的机械强度和柔韧性，能够承受高压下的氢气吸附与脱附过程，从而提高储氢效率。
碳纳米管的制备技术与应用碳纳米管（Carbon nanotubes，CNTs）是一种以碳元素为原材料制备的一维纳米材料，由于其具有良好的力学性能、电学特性以及化学稳定性等特点，已经成为当今研究领域中最为热门的材料之一。
本文将介绍碳纳米管的制备技术以及其在各个领域的应用。
一、碳纳米管的制备技术碳纳米管的制备技术可以分为两种类型：单壁碳纳米管（Single-walled carbon nanotubes，SWCNTs）和多壁碳纳米管（Multi-walled carbon nanotubes，MWCNTs）。
1. SWCNTs的制备技术SWCNTs是由单个碳原子组成的圆柱形分子，其直径只有1纳米左右，是碳纳米管中最小的一种。
目前SWCNTs的制备技术主要有以下几种：(1) 弧放电法：将石墨电极在惰性气体氛围下通电，随着通电时间的延长，在电极表面就会形成一个由碳原子组成的弧，此时就会产生SWCNTs。
(2) 化学气相沉积法：将碳源放入通有气源的高温管道中，在特定的条件下产生SWCNTs。
(3) 气味解法：将金属铝、镁等材料和碳合成物物质放入高温的石墨炉中加热，从而产生SWCNTs。
2. MWCNTs的制备技术MWCNTs是由许多个碳单层环形结构套在一起形成的管状结构，由于其具有较高的机械强度和导电性能，因此在材料科学等领域有着广泛的应用。
其制备主要有以下几种方式：(1) 化学气相沉积法：将碳源放入通有气源的高温管道中，在特定的条件下产生MWCNTs。
(2) 电磁纺丝法：将金属铜制成细丝，并加热到一定温度，然后向铜丝上喷射石墨或其它碳源，从而产生MWCNTs。
(3) 化学还原法：将单壁和多壁碳纳米管分散在水溶液中，然后将还原剂缓慢加入到溶液中，之后用超离心机或过滤器将沉淀的MWCNTs分离出来。
二、碳纳米管在材料科学中的应用碳纳米管因其高催化性能、热稳定性及导电性能等优异特点，将在材料科学领域中得到广泛的应用。
碳纳米管材料在储能领域中的应用研究随着全球工业化进程的不断加速，能源的消耗速度呈现出逐年上升的态势。
因此，发展可持续、高效、环保的新能源以及寻找高能量密度、易携带、长寿命的储能材料已成为人们关注的焦点。
碳纳米管材料由于其高比表面积、优异的导电性和良好的力学性能，已被广泛应用于储能领域。
一、碳纳米管的基本特性和应用碳纳米管(Carbon Nanotube，CNT)是由官能化的碳原子构成的中空纳米管，其结构类似于卷曲过的石墨烯。
碳纳米管拥有极高的比表面积，导电性能好，且具有良好的力学性能、高的化学稳定性和优异的热稳定性，因此被广泛应用于能源储存、传输等领域。
目前，碳纳米管主要的应用领域包括电池和超级电容器、储氢材料、储能器件和催化剂等领域。
二、碳纳米管在锂离子电池中的应用目前，锂离子电池是目前最为普遍的储能装置，碳纳米管也被广泛应用于锂离子电池的正负极材料中。
由于碳纳米管具有高比表面积和巨大的孔隙度，能够提供更多的活性空间，因此它在电极材料中的应用大大提高了电极材料的比表面积、电化学性能、导电性能和机械稳定性，改善了电极材料的储能性能。
三、碳纳米管在柔性超级电容器领域中的应用由于碳纳米管具有较大的比表面积和良好的导电性能，因此在柔性超级电容器领域中也有着广泛的应用。
它不仅可以提高电容器的电容量和功率密度，而且还可以有效提高电容器的循环寿命，满足柔性电子类设备对高性能、高安全、 ultra low power consumption的需求。
四、碳纳米管在储氢材料领域中的应用碳纳米管的具有极高的比表面积和良好的导电性，因此在储氢材料领域中也有着应用。
其中一种方法是用氢气吸附到碳纳米管表面，形成一层厚度很薄的氢原子分子层，可以通过氢气在氢分子间扩散和碳纳米管表面的相互作用，将氢分子物理吸附在碳纳米管表面上，起到储存氢气的作用。
五、碳纳米管在燃料电池领域中的应用碳纳米管的表面活性位点、高比表面积以及可控的孔道结构，使其在燃料电池领域中也有着广泛的应用。
91科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald 工 程 技 术随着石油、煤炭等传统能源不断地被开采和使用,能源短缺问题日趋严重。
而石油、煤炭燃烧的主要产物是CO 2和SO 2。
CO 2是导致全球变暖的温室气体,SO 2会和空气中的水分结合产生酸雨。
人类面临能源、资源和环境的危机,寻找新的能源已成为人们的普遍共识。
氢作为一种洁净能源,已受到人们的充分重视。
而氢能技术面临的最大的挑战是能否将氢在常温常压下安全有效地储存和运输。
1997年,Dillon等[1]报道了有关单壁碳纳米管储氢研究成果,用单壁碳纳米管在室温和氢气压力40k P a 时得到储氢量为5%～10%(质量分数),并指出氢在高温吸附位上是物理吸附。
由于物理吸附储氢材料可通过压力控制而达到较高的瞬时氢脱附量,如果能开发出在常温下具有较高储氢量的物理吸附类材料,将对未来以氢为动力的移动装置产生重要影响[2]。
而纯粹的用碳纳米管储存氢很难实现其实用价值,其关键是如何利用碳纳米管储氢和怎样提高其储氢能力。
碳纳米管材料的规模生产和应用,尤其是用于储氢电极材料将给储氢电池带来一场变革。
1 碳纳米管的制备方法碳纳米管制备方法有一个共同的特点:通过各种外加能量,将碳源离解原子或离子形式,然后凝聚就可以得到这种碳的一维结构。
目前,碳纳米管的制备主要采用以下几种方法:电弧法[3]、激光蒸发法[4]、催化裂解及化学气相沉积法[5-8]等。
电弧法、激光蒸发法所制备碳纳米管管直且结晶度高,一般为单壁碳纳米管,但产率较低,常常混有大量的杂质(如:石墨碎片、无定形碳和纳米碳颗粒等),可通过酸或碱处理,对碳纳米管进行分离提纯,去除这些杂质。
而催化裂解及化学气相沉积法是制备碳纳米管使用最多的方法,一般是催化剂的作用下,使含碳气体原料(如:一氧化碳、甲烷、乙烯、丙烯和苯等)分解,即在较高温度下使含碳化合物裂解为碳原子,当过渡金属作为催化剂时,碳原子附着在催化剂微粒表面上形成为碳纳米管。
碳纳米管的性质与应用【摘要】本文主要介绍了碳纳米管的结构特点，制备方法，特殊性质，由于碳纳米管独特性质而产生的广泛应用，并对其前景进行展望。
【关键词】碳纳米管场发射复合材料优良性能【前言】自日本NEC科学家Lijima发现碳纳米管以来，碳纳米管研究一直是国际新材料领域研究的热点。
由于碳纳米管具有特殊的导电性能、力学性质及物理化学性质等，故其在许多领域具有其广阔的应用前景，自问世以来即引起广泛关注。
目前，国内外有许多科学家对碳纳米管进行研究，科研成果颇丰，尤其是碳纳米管在复合材料、储氢及催化等领域的应用。
【正文】一、碳纳米管的结构碳纳米管中碳原子以sp2杂化为主，同时六角型网格结构存在一定程度的弯曲，形成空间拓扑结构，其中可形成一定的sp3杂化键，即形成的化学键同时具有sp2和sp3混合杂化状态，而这些p 轨道彼此交叠在碳纳米管石墨烯片层外形成高度离域化的大π键，碳纳米管外表面的大π键是碳纳米管与一些具有共轭性能的大分子以非共价键复合的化学基础[1]。
对多壁碳纳米管的光电子能谱研究结果表明，不论单壁碳纳米管还是多壁碳纳米管，其表面都结合有一定的官能基团，而且不同制备方法获得的碳纳米管由于制备方法各异，后处理过程不同而具有不同的表面结构。
一般来讲，单壁碳纳米管具有较高的化学惰性，其表面要纯净一些，而多壁碳纳米管表面要活泼得多，结合有大量的表面基团，如羧基等。
以变角X 光电子能谱对碳纳米管的表面检测结果表明，单壁碳纳米管表面具有化学惰性，化学结构比较简单，而且随着碳纳米管管壁层数的增加，缺陷和化学反应性增强，表面化学结构趋向复杂化。
内层碳原子的化学结构比较单一，外层碳原子的化学组成比较复杂，而且外层碳原子上往往沉积有大量的无定形碳。
由于具有物理结构和化学结构的不均匀性，碳纳米管中大量的表面碳原子具有不同的表面微环境，因此也具有能量的不均一性[2]。
碳纳米管不总是笔直的，而是局部区域出现凸凹现象，这是由于在六边形编制过程中出现了五边形和七边形。
碳纳米管储氢技术【摘要】碳纳米管储氢技术是当前研究的热点之一，具有重要的应用前景和意义。
本文从技术的原理、制备方法、应用领域、优势挑战和研究进展等方面对碳纳米管储氢技术进行了全面的介绍和分析。
结合未来发展方向、在能源领域的重要性以及对环境和经济的影响，展望了碳纳米管储氢技术的潜力和前景。
通过本文的阐述，读者可以更加全面地了解碳纳米管储氢技术的发展历程、应用前景以及对环境和经济的积极影响。
碳纳米管储氢技术的研究不仅有利于提高能源利用效率，还能够推动新能源技术的发展，促进环境保护和经济持续发展。
【关键词】碳纳米管、储氢技术、研究意义、发展历程、应用前景、原理、制备方法、氢能领域、优势与挑战、研究进展、未来发展方向、能源领域、环境影响、经济影响1. 引言1.1 碳纳米管储氢技术的研究意义通过研究碳纳米管储氢技术，可以提高氢能的利用效率，推动氢能经济的发展。
氢能作为清洁能源，可以减少化石燃料的使用，减少温室气体的排放，对于应对全球能源与环境问题具有重要意义。
深入研究碳纳米管储氢技术，可以促进氢能技术的广泛应用，推动能源转型和可持续发展。
碳纳米管储氢技术的研究意义不仅在于提高储氢材料的性能和效率，还在于推动清洁能源的发展，保护环境和促进经济可持续发展。
1.2 碳纳米管储氢技术的发展历程碳纳米管储氢技术的发展历程可以追溯到20世纪90年代初。
当时，科学家们开始意识到氢气作为清洁能源的潜力，并积极寻求有效的储氢方法。
碳纳米管因其独特的结构和性质被认为是一种很有潜力的储氢材料。
在早期的研究中，科学家们通过实验和理论计算发现，碳纳米管具有良好的氢吸附和储存能力，这为其在储氢技术中的应用奠定了基础。
随着科学技术的不断进步，研究人员逐渐深入了解了碳纳米管的储氢机制，并探索了各种制备方法。
通过化学合成、物理气相沉积等技术，科学家们成功地制备出了具有优异储氢性能的碳纳米管材料。
这些材料不仅在实验室中展示出了良好的储氢效果，还有望在未来的能源领域中得到广泛应用。
单壁碳纳米管储氢材料的研究与发展摘要:随着能源危机和环境问题的日益加剧，新能源的开发势在必行。
氢能以其丰富来源、零污染及广泛的利用途径等优点，被公认为人类未来的理想能源。
而氢能的开发和利用，涉及到氢气的制备、储存、运输、和应用四大关键技术。
储氢材料的开发是解决氢能应用中氢气存储难题的关键。
近年来，由于纳米材料制备技术的快速发展，碳和纳米储氢成为储氢材料的研究焦点。
单根碳纳米管具有很大的比表面积，是一种潜在的微孔吸附材料。
关键词:储氢，单壁碳纳米管，进展11引言氢是自然界中最普遍的元素，资源无穷无尽，不存在枯竭问题。
氢的热值高，燃烧产物是水，无污染，可循环利用。
20世纪70年代以后，由于对氢能源的研究和开发日趋重要，首先要解决氢气的安全贮存和运输问题，储氢材料范围日益扩展。
碳纳米管(CNTS)是一种重要的储氢材料，由于其特殊的分子结构和优良的吸、放氢性能，引起了世界各国许多领域专家的广泛关注，并开展了大量有关储氢方面的研究.碳纳米管的储氢量大，一般可达到10wt%，有的甚至可达到60wt%以上[1]，已被国际能源协会列为重点发展项目[2，3]。
美国能源部(DOE)提出的目标是质量储氢容量不低于6.5%,体积储氢量不62kg/m3[4]。
单壁纳米碳管具有十分独特的结构特征，应用领域也十分广泛。
然而，单壁纳米碳管的大规模制备和纳米碳管的定向排列却始终是瓶颈，大大限制了对单壁纳米碳管的应用研究；在纳米碳管的各种优异性能中，纳米碳管的场发射特性尤其引人注目，用于评价纳米碳管阵列场发射性能优劣的重要参数是电场增强因子。
影响该参数的主要因素包括纳米碳管阵列密度、长径比、管尖端结构和尖端电子逸出功等。
因此，在理论上弄清电场增强因子与上列因素的具体关系，有利于提高场发射性能；定向排列纳米碳管对实验中研究纳米碳管场发射性质、制备纳米碳管冷阴极具有重要意义。
2论述碳纳米管在微观结构上具有典型的层状中空结构特征，按照石墨烯片的层数可分为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管以及由单壁碳纳米管束形成的复合管，管直径通常为纳米级，长度在微米到毫米级。
三型储氢瓶的典型结构、制备工艺及应用优势三型储氢瓶是一种重要的能源储存设备，广泛应用于氢能源领域。
它包括金属氢化物储氢瓶、复合材料储氢瓶和碳纳米管储氢瓶。
这三种储氢瓶各自具有独特的结构、制备工艺和应用优势，下面将详细介绍。
一、金属氢化物储氢瓶金属氢化物储氢瓶以金属合金或化合物作为储氢材料，是目前常用的储氢瓶类型之一。
其典型结构由储氢罐体、热交换器和储氢阀组成。
储氢罐体通常采用特殊合金材料制成，能够承受高压氢气的储存。
热交换器用于控制储氢过程中的温度，以提高储氢效率。
储氢阀则用于控制氢气的进出，确保储氢瓶的安全稳定运行。
金属氢化物储氢瓶的制备工艺包括物理合金化、机械球磨、氢气吸附和热处理等步骤。
在制备过程中，需要精密的控制温度、压力和气氛，以确保储氢材料的吸氢性能和力学性能达到要求。
金属氢化物储氢瓶的应用优势主要体现在高储氢密度、良好的安全性能和长期稳定性上。
相比于其他储氢技术，金属氢化物储氢瓶具有更高的储氢密度，能够在相对较小的体积内储存更多的氢气。
金属氢化物储氢瓶能够在较低的温度和压力下释放氢气，使得氢能源的利用更加便捷和安全。
二、复合材料储氢瓶复合材料储氢瓶是利用高分子复合材料作为储氢材料的一种新型储氢技术。
其典型结构由复合材料罐体和防爆装置组成。
复合材料罐体采用高强度、低密度的复合材料制成，能够轻量化地承载高压氢气。
防爆装置用于保护储氢瓶在发生意外时的安全性。
复合材料储氢瓶的制备工艺包括复合材料制备、罐体成型、压力测试和表面处理等步骤。
在制备过程中，需要保证复合材料的均匀性和密封性，以确保储氢瓶的安全可靠性。
复合材料储氢瓶的应用优势主要体现在轻量化、高强度和良好的耐腐蚀性上。
相比于金属氢化物储氢瓶，复合材料储氢瓶具有更轻的重量和更高的强度，能够在较小的体积内储存更多的氢气。
复合材料储氢瓶具有良好的耐腐蚀性，能够适应复杂的使用环境，如海洋环境和高温高压环境。
三、碳纳米管储氢瓶碳纳米管储氢瓶是利用碳纳米管材料储存氢气的一种新型储氢技术。
碳纳米管储氢性能的研究学院：材料学院班级：1109102 学号：1110910209 姓名：袁皓摘要：综述了近年来研究人员在碳纳米管制备以及在各种不同条件下获得的储氢性能,分析了碳纳米管的储氢机理。
从实验、理论研究两个方面总结了前人在碳纳米管储氢上的研究成果,并对碳纳米管储氢吸附方式,吸附量影响因素等方面做出分析。
最后指出为实现碳纳米管储氢大规模应用仍需做的一些基础性研究工作。
关键词：碳纳米管;吸附;储氢氢能以其资源丰富、可再生、热效率高等优点备受关注。
氢能的使用包括氢的生产、储存和运输等方面，开发氢能的关键问题是如何对氢进行储存。
储氢的主要方法有：金属存储、压缩存储、液化存储和吸附存储等，它们各有优缺点。
碳纳米管因其特殊的力学、电学等性质而成为储氢的主要载体。
Kroto等发现了C60以后，Iijima意外地发现碳纳米管。
由于碳纳米管具有优良的电学、力学性质，世界各国迅速展开了对碳纳米管的制备方法、结构与性能的研究。
Dillon等报道了碳纳米管储氢作用，相关报道也比较多。
因为碳纳米管具有比较大的比表面积，且具有大量的微孔，其储氢量远远大于传统材料的储氢量，因此被认为是良好的存储材料。
一碳纳米管的结构和性质碳纳米管(Carbon Nanotubes, CNTs)首次是在1991年由日本的电子显微镜专家Iijima分析电弧放电产生的阴极沉积物时意外发现的,可以被看成是由石墨面卷曲而成的无逢管状结构,后发现可以通过化学处理使两端开口。
根据组成碳纳米管管壁中碳原子层数目,碳纳米管可被分为单壁碳纳米管(Single -Walled Carbon Nanotubes, SWNTs )和多壁碳纳米管(Multi-Walled Carbon Nanotubes,MWNTs)。
结构模型如图：单壁碳纳米管仅由一层碳原子构成,是多壁碳纳管的一种特殊情况。
单壁碳纳米管直径一般在1 -3nm,最小直径大约为0. 5nm,当直径大于3nm时会表现出不稳定性。
单壁碳纳米管通常因范德华力作用而形成10 -100管束状。
多壁碳纳米管可以看成为不同管径的单壁碳纳米管套装而成,少则2层多达几十层,层距约为0.343nm,略大于石墨片层之间的距离0. 335nm。
碳纳米管直径在几纳米到几十纳米之间,而长度可达数微米,具有较大的长径比。
因此,人们认为碳纳米管是一种典型的准一维纳米材料,并且因其重量轻,六边形完美结构而表现出许多异常的力学、电磁学、化学特性,并在不同领域里得到广泛的应用。
其中碳纳米管在吸附氢气上表现出的独特性质,使其最有希望成为高效的储氢材料。
二碳纳米管的制备目前已有很多种制备碳纳米管的方法,其中电弧放电法和催化裂解法应用得最为广泛。
1991年Iijima首先用真空电弧蒸发石墨电极,在阴极沉积物中发现了碳纳米管。
该方法是:在一定气压的惰性气氛下,石墨电极之间在强电流下产生电弧,阴极逐渐损耗,部分气态碳离子沉积于阴极形成沉积物。
电弧放电法的产物质量较好,管径均匀,管身较直,石墨化程度高,但因其产量很低,仅局限在实验室中应用,不适于大批量连续生产。
催化裂解法是在常压下的气流炉中进行的。
催化剂为纳米Fe、Co、Ni或其合金粉,裂解气体可以为乙炔、苯、甲烷等,载气为氮气或氢气组成,在500e到1100e的温度范围内反应数小时后冷至室温。
催化裂解法产量较高,但同前者相比,制备出的碳纳米管质量较差,管身虽长,但卷曲不直,管径不均匀,石墨化程度较低,缺陷也多一些。
催化裂解法制备碳管还是得到人们的青睐,因为此法制的碳管易提纯,且可通过催化剂颗粒的大小控制碳管的大小,尽管其晶化程度不如通过石墨电弧法制得的好。
其他制备方法还有激光蒸发法、聚合物法、太阳能法、电解法、固体低温裂解、原位催化法、溶盐法、微波等离子体加强CVD、固相合成等。
三碳纳米管储氢性能的研究Dillon等于1997年发现,采用钴与石墨共蒸发电弧法制备的烟炱中含有SWNTs,并使用程序升温脱附法(Temperature Programmed Desorption)检测了材料的储氢性能,样品重量为1 mg,试验结果表明SWNTs的储氢量为0.01%,同时用图像合成法(Graphical integration methods)测得试样中SWNTs含量为0.1%~0.2%,因此估算出SWNT的储氢量为5%~10%。
Chen等采用CH4催化裂解制得CNT,将CNT与含Li或K的化合物,如碳酸盐或硝酸盐通过固相反应而制得Li掺杂的CNT或K掺杂的CNT。
试验测得Li掺杂的CNT在653 K常压下储氢量为达20%, K掺杂的CNT在室温室压下储氢量可达14%。
作者采用原位傅立叶变换红外光谱(FTIR)分析表明Li/K掺杂的CNT的吸氢实质是碳的分解氢化作用,分析表明Li/K可能是氢气分解吸附的催化活性中心,而且Li/K的存在可以大大降低H2的离解能,从而得到较高的储氢量。
Dresselhaus等报道,经特殊处理直径为 1.58nm的单壁碳纳米管能在室温,中等高压(~10MPa)条件下贮藏4.2%的氢气,相当于每两个碳原子贮藏约1个氢原子,并可在常压室温下释放80%的氢气。
陈桉等研究了平衡压力对多壁碳纳米管储氢性能的影响,结果表明在室温条件下,碳纳米管在9~10 MPa左右压力下,最大储氢量为3.1%,并认为当压力增大时,毛细管冷凝现象会进一步增大氢气在纳米管中的吸附量。
刘芙等认为机械球磨是一种提高碳纳米管储氢能力的方法,通过球磨处理后,碳纳米管出现断裂,碳管端口被打开,缺陷增多,表面积增大,材料的储氢性能是未处理的材料的两倍。
由于国内外均有作者对碳纳米管储氢进行过综述报道,在此不想一一列举。
表1对比了不同实验的结果,从中可以发现,除Chen等的研究结果以外,其余储氢量均小于10%,而且试验温度范围为80~653 K,试验压力范围为0.04~10MPa,表明数据十分分散。
实际上,大部分实验, 尤其是国内学者报道的实验结果都未详细报道CNTs的纯化和预处理过程,以及详细的储氢试验过程,更缺乏详细的理论分析和实验证明,由此造成分析试验数据的真伪具有相当大的难度。
表1 不同学者碳纳米管储氢性能试验结果对比四储氢试验方法与测试装置在测量碳纳米管的储氢性能时,研究人员经常采用的方法有两种,一种是测量碳纳米管吸放氢后的压力变化来表征储氢性能,常用的方法是等容压差法,也有人称为高压容积法、定容法(恒容法),在此条件下,研究人员常采用排水集气法测量碳纳米管的脱氢性能。
另一种方法是通过测定碳纳米管吸放氢时的重量变化来反映材料的储氢特性,常用的方法是热重分析法(Thermogravime-try analysis, Isothermal gravimetric analysis)。
除上述两种主要方法外,研究人员还常采用TPD法(程序升温脱附法)来研究碳纳米管的吸氢-脱氢特性,其主要目的是研究氢气在碳纳米管上吸附和脱附过程中的变化,通常TPD法与色谱或质谱相结合,通过测试脱附产物分子的质量信息,来推断产物的化学组成。
然而在色谱或质谱测试过程中,惰性气体长时间的吹扫会带走碳纳米管吸附的部分氢气,因而TPD法并不能用来准确测量碳纳米管的储氢容量。
等容压差法是测量传统储氢材料储氢性能常用的测量方法,如图：其原理是通过测量系统的起始压力与吸附(脱附)达到平衡后系统的压力的差数,来计算材料的储氢量。
由于该法是通过测量压力的变化来计算碳纳米管的储氢量,因此在试验中由外部因素,如温度、压力、体积的变化导致系统内压力的变化,均会对测试结果造成影响。
在测量碳纳米管的储氢性能时,由于通常采用的压力在10 MPa左右,因此首先必须考虑的一个问题是氢气在高压下是否遵循理想的气体方程。
Browing等的研究表明,高压下氢气量与其压力、温度的对应关系并不遵循理想的气体方程,下图显示了不同温度下,氢气量与其压力之间的关系,从中可看出,在通常使用的压力(~10 MPa)和温度(298 K)条件下,氢气量仅为理想气体的92%。
大多数的研究人员在试验中都忽略了这个问题,考虑到试验中样品用量少,测试时间长等因素,这将不可避免地导致试验结果出现误差。
Chen等最先研究了碱金属掺杂对纳米碳管储氢容量的影响。
他们用催化降解CH4制得碳纳米管。
经纯化除去催化剂杂质后,样品超过90%以多壁碳纳米管形式存在, 70%的样品直径分布在25nm -35nm之间。
通过和Li及K的碳酸盐或硝酸盐固体反应,在碳纳米管上掺杂Li和K。
TPD法实验结果表明:常压0. 1MP下, Li掺杂的纳米碳管在653K时储氢量达到20 w%t ,相应的系统体积密度为160kgH2/m3;而在室温条件下K掺杂的纳米碳管储氢量达到14w%t ,相应的系统体积密度为112kgH2/m3。
研究还发现, Li掺杂的纳米碳管虽然需要在高于室温条件下吸附氢气,但化学稳定性较好。
然而,Yang对这一乐观的数据产生了质疑,认为Chen实验中的氢气很可能受到了水蒸汽的污染。
因而Yang在自己的实验中,采用和Chen相同的步骤制备了碱金属掺杂的纳米碳管,并分别采取含水蒸汽和足够干燥的氢气做对比。
实验结果表明:干燥的氢气条件下, Li和K 掺杂的纳米碳管储氢量只达到了2. 5w%t和1. 8w%t ;含水蒸汽的氢气条件下, Li和K掺杂的纳米碳管储氢量为12w%t和21w%t ,这也和Chen有些出入。
Yang将原因归结为水蒸汽与纳米碳管上的Li和K发生了反应。
五碳纳米管储氢理论研究碳纳米管储氢理论模拟研究几乎与实验研究同时进行。
理论研究方法主要包括两类:一种是采用矩阵蒙特卡罗模拟方法,将吸收过程看成是简单的物理吸附,假定没有发生化学反应过程,将氢分子和碳纳米管以及氢分子之间的相互作用采用经典的经验势描述;另一种是认为在吸附过程中发生了化学反应,采用量子力学第一原理计算。
后一种也称为密度泛函理论,它和前一种方法的本质区别在于它从电子的移动以及相互作用出发考虑物质之间的相互作用,在吸附领域主要应用于化学吸附过程。
专著[5]中还提到另一种理论研究手段:简单的几何学估算。
无论什么样的理论研究方法,旨在揭示影响吸附的内部机理,为碳纳米管储氢的应用提供具体有效的理论指导。
Darkrim和Levesque在较大的压力和温度范围内计算了开口的碳纳米管储氢能力。
他们通过分子模拟研究了16个并排的单壁碳纳米管组成的管束的两种排列结构(三角型和正方型)在77K、10MP条件下,当管间距增加到1. 1nm时,氢气吸附量可达到11w%t。
Williams采用蒙特卡罗模拟方法在同样热动力条件(77K、10MP)下得到最大的吸氢量接近9. 6w%t。
Lee 等则采用密度泛函理论研究了碳纳米管储氢能力。
