碳纳米材料作为储氢材料相关

储氢材料摘要：作为一种新型的清洁能源，氢的廉价制取、安全高效储存与运输及其模型应用，将是今后研究的重点。

本文介绍了储氢材料的结构、性能、制备及应用；展望了储氢材料的发展趋势。

关键字：氢；储氢材料；清洁能源1引言随着传统能源的日渐枯竭，致使人类面临着能源、资源和环境危机的严峻挑战，同时人们环保意识的日益增强，开始大力寻找新的洁净能源己成为科研工作的焦点[l]。

在这些过程中，氢以其独有的优点逐渐得到人们的公认。

氢作为洁净能源具有以下优点：(l) 氢的燃烧产物是水，对环境不产生任何污染；(2) 氢可以通过太阳能、风能等分解水而再生，是可再生能源；(3) 燃烧1g氢放出的热量是等量汽油的3倍左右；(4) 氢资源丰富，可通过水、碳氢化合物等电解或分解生成。

由此可见，氢是一种清洁，高效的能源，在未来有着广阔的应用前景。

在氢能利用过程中，有两个重要的方面，即氢能的制备和储运。

在氢能的制备方面：人类通过利用太阳能光解海水可以制得大量的氢；故氢的储存和运输是其发展和应用中遇到的难点之一。

2 氢的存储标准与现状“储氢材料”顾名思义是一种能够储存氢的材料。

衡量储氢材料性能的标准主要有2个：体积储氢密度(kg/m3)和储氢质量分数(%)。

体积储氢密度为系统单位体积内储存氢气的质量，储氢质量分数为系统储存氢气的质量与系统质量的比值。

另外，充放氢的可逆性、充放气速率及可循环使用寿命等也是衡量储氢材料性能的重要参数[2]。

和其它物质一样，氢的存在状态也是固态、液态、气态。

气态时存储方式较为简单方便，也是目前储存压力低于17MPa氢气的常用方法。

但其密度较小，体积大；由于是易燃气体在运输和使用过程中存在安全隐患是该方法的不足之处。

液态储氢方法的体积密度高(70kg/m3)，但氢气的液化需要冷却到20K的超低温下才能实现，此过程消耗的能量约占所储存氢能的25%~45%。

液态氢不仅储存成本高，而且使用条件苛刻，目前只限于在航天技术领域中应用。

纳米技术在能源及环境领域的应用随着科技的不断发展，纳米技术作为一项前沿技术，得到了广泛关注和研究。

纳米技术能够探究微观世界，理解纳米尺度下物质的行为规律，同时也能够利用这些规律来开发出一系列实用的纳米材料。

近年来，纳米技术在能源及环境领域的应用，受到了越来越多的关注。

本文将探讨纳米技术在这两个领域的应用，并分析其现状及未来趋势。

一、能源领域1.1 纳米材料在太阳能电池中的应用光伏发电是当前最为广泛的一种清洁能源利用方式，而太阳能电池作为光伏发电的核心组件，其性能的提高是提高光伏发电效率的重要途径。

纳米技术可以通过调制材料的结构来改变其光电性能，例如通过在太阳能电池中添加纳米材料作为光吸收剂，提高光的吸收程度，从而提高电池的转化效率。

1.2 纳米材料在锂离子电池中的应用锂离子电池是目前商业化程度最高的可充电电池，应用范围广泛。

然而，其容量密度和充电速率等方面仍有待提高。

纳米技术可以通过调控电极材料的纳米结构，增加电极表面积和离子扩散通道，从而提高电池的容量密度和充电速率。

例如，利用纳米铁氧体材料作为电极材料，在锂离子电池中可以显著提高循环性能和充电速率。

1.3 纳米材料在储氢材料中的应用储氢技术是目前实现氢能源利用的重要途径。

而纳米多孔材料作为一种具有高储氢容量、快速充放氢特性和良好稳定性等特点的材料，被广泛应用于氢能源的储存和利用中。

纳米技术可以通过调节材料的孔径和表面性质等调控储氢性能，例如利用碳纳米管等纳米材料作为储氢材料，在储氢方面表现出了良好的性能。

二、环境领域2.1 纳米材料在水处理中的应用水资源是人类生产和生活的必需品，但世界各地仍有大量水资源短缺的问题存在。

而水处理技术的发展可以提高水资源的利用效率和水质，纳米技术在其中的应用不可忽视。

例如，利用纳米氧化铁、纳米炭黑等材料作为吸附剂，可以高效地去除废水中的重金属离子等污染物。

此外，纳米技术还可以制备具有高效催化性能的纳米催化剂，例如利用纳米铜催化剂对含氨废水进行处理，可以显著降低氨氮含量。

碳纳米管的性能及应用领域碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有很多异常的力学、电学和化学性能。

近些年随着碳纳米管及纳米材料讨论的深入其广阔的应用前景也不断地呈现出来。

一、碳纳米管的性能1.1力学性能不同类型的碳纳米管碳纳米管具有良好的力学性能，碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，可以拉伸。

碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相像，但其结构却比高分子材料稳定得多。

碳纳米管是目前可制备出的具有最高比强度的材料。

若将以其他工程材料为基体与碳纳米管制成复合材料，可使复合材料表现出良好的强度、弹性、抗疲乏性及各向同性，给复合材料的性能带来极大的改善。

1.2导电性能碳纳米管制成的透亮导电薄膜碳纳米管上碳原子的P电子形成大范围的离域键，由于共轭效应显著，碳纳米管具有一些特别的电学性质。

碳纳米管具有良好的导电性能，由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能。

对于一个给定的纳米管，在某个方向上表现出金属性，是良好的导体，否则表现为半导体。

对于这个的方向，碳纳米管表现出良好的导电性，电导率通常可达铜的1万倍。

1.3传热性能采纳了碳纳米管涂层的热水器内胆碳纳米管具有良好的传热性能，碳纳米管具有特别大的长径比，因而其沿着长度方向的热交换性能很高，相对的其垂直方向的热交换性能较低，通过合适的取向，碳纳米管可以合成高各向异性的热传导材料。

另外，碳纳米管有着较高的热导率，只要在复合材料中掺杂微量的碳纳米管，该复合材料的热导率将会可能得到很大的改善。

二、碳纳米管的应用2.1电子领域碳纳米电子管（CNTS）是一种具有显著电子、机械和化学特性的独特材料。

其导电本领不同于一般的导体。

性能方面的区分取决于应用，或许是优点，或许是缺点，或许是机会。

在一理想纳米碳管内，电传导以低温漂轨道传播的，假如电子管能无缝交接，低温漂是计算机芯片的优点。

诸如电连接等的混乱极大地修改了这行为。

对十较慢的模拟信号的处理速度，四周环围着平向球分子的碳纳米管充当传播者已被试验证明。

多孔碳纳米材料的分类、制备及应用孙镇镇/文【摘要】多孔碳纳米材料的孔径可以在微孔、介孔和大孔很宽的范围内进行调控，并且在一种碳材料中可以同时含有多级孔结构；依赖于合成途径，多孔碳的孔道可以有序或无序；形貌也具有多样性，可以是膜、球、纤维、短棒、单晶和体材料等多种形貌。

多孔碳材料独特的结构和性质，使之在气体和液体的分离、水处理、空气净化、生物和能源等诸多领域都具有广泛的应用前景。

本文主要介绍了多孔碳纳米材料的分类，重点阐述了多孔碳纳米材料的制备方法，并对其应用进行了展望。

【关键词】多孔碳纳米材料分类；制备方法；应用前景多孔碳纳米材料是指具有不同孔结构的碳纳米材料，其孔径可以根据实际应用的要求(如所吸附分子尺寸等)进行调控，使其尺寸处于纳米级微孔至微米级大孔之间。

多孔碳纳米材料具有碳材料的性质，如化学稳定性高、导电性好、价格低廉等优点；同时，孔结构的引入使其同时具有比表而积大、孔道结构可控、孔径可调等特点。

多种形态的活性炭是这类材料的典型例子，它们在气体和液体的精制、分离以及水处理、空气净化、色谱分析、催化和光催化及能量存储等领域得到了广泛的应用。

1.多孔碳纳米材料的分类1.1根据孔直径分类按照国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)的定义，可以根据多孔碳材料的孔直径将其分为三类:微孔(小于2nm)；介孔(2～50nm)和大孔(大于50nm)。

1.2根据结构特点分类根据多孔碳材料的结构特点，又可以将其分为无序多孔碳材料和有序多孔碳材料。

其中无序多孔碳材料的孔道不是长程有序，孔道形状不规则，孔径大小分布范围宽。

有序多孔碳材料具有孔道有序性，孔道形状和孔径尺寸可以得到很好的控制，且孔径分布范围窄。

在有序多孔碳材料中研究比较多的材料是有序介孔碳，如CMK-3，其孔径在介孔范围内，一般可以利用有序介孔二氧化硅SBA-15作为硬模板合成而得。

25中国粉体工业 2019 No.52.多孔碳纳米材料的制备方法多孔碳纳米材料的制备方法较多，归纳起来有以下几类:2.1 模板法模板法是用已可直接制备材料的形貌来控制制备其他材料形貌的方法。

低维材料的发展现状及前景—碳纳米管的制备及其应用摘要：碳纳米管具有奇异的物理化学性能，如独特的金属或半导体导电性、极高的机械强度、储氢能力、吸附能力和较强的微波吸收能力等，90年代初一经发现即刻受到物理、化学和材料科学界以及高新技术产业部门的极大重视。

应用研究表明，碳纳米管可用于多种高科技领域。

如用它作为增强剂和导电剂可制造性能优良的汽车防护件；用它作催化剂载体可显著提高催化剂的活性和选择性；碳纳米管较强的微波吸收性能，使它可作为吸收剂制备隐形材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料等。

碳纳米管被认为是一种性能优异的新型功能材料和结构材料，世界各国均在制备和应用方面投入大量的研究开发力量，期望能占领该技术领域的制高点。

关键词：碳纳米管，碳纳米管的批量制备，储氢技术一、碳纳米管的批量制备碳纳米管要实现工业应用，首先必须解决碳纳米管的低成本大量制备问题。

碳纳米管自1991年被发现以来，其制备工艺得到了广泛研究。

目前，有三种主要的制备方法，即电弧放电法、激光烧蚀法和固定床催化裂解法。

电弧放电法和激光烧蚀法制得的产物中，碳纳米管均与其他形态的碳产物共存，分离纯化困难，收率较低，且难以规模化。

第三种固定床催化裂解法由天然气制备碳纳米管具有工艺简便、成本低、纳米管规模易控制、长度大、收率较高等优点，有重要的研究价值，但该方法中催化剂只能以薄层的形式展开，才会有好的效果，否则催化剂的利用率就低，因而产量难以提高。

沸腾床催化裂解反应工艺气固接触良好，适合处理大量固体颗粒催化剂，用沸腾床催化裂解法代替固体床催化裂解法可大幅度提高碳纳米管的制备量。

在沸腾床催化裂解反应器中，原料气体以一定的流速通过气体分布板，将气体分布板上活化了的催化剂“吹”成“沸腾”状态。

催化剂颗粒一直处于运动之中，催化剂颗粒之间的距离要比固定床中催化剂颗粒之间的距离大得多，催化剂表面上易生长出直的碳纳米管，又因催化剂颗粒之间的相互碰撞，碳纳米管容易从催化剂表面脱出。

第 50 卷 第 5 期2021 年 5 月Vol.50 No.5May. 2021化工技术与开发Technology & Development of Chemical Industry碳基储氢材料的技术研究及展望付东升(中国石化上海石油化工股份有限公司,上海 200540)摘 要：本文从功能性材料和纤维缠绕结构性复合材料两个方面，总结了碳基材料在储氢领域的技术进展。

功能型储氢材料的技术原理是表面吸附，包括活性炭、活性炭纤维、纳米碳纤维、碳纳米管、石墨烯等，应用的关键在于开发较高温度下的低成本吸附材料。

高性能纤维缠绕复合材料是高压储氢技术的研究热点，结合低温技术，可以实现在保证储氢能力的同时降低压力，具有较好的经济性。

关键词：碳基材料；储氢；吸附；纤维缠绕复合材料中图分类号： TK 912 文献标识码：A 文章编号：1671-9905(2021)05-0054-05作者简介：付东升(1980-)，男，博士，高级工程师，研究方向：碳材料及应用收稿日期：2021-02-22氢能具有资源丰富、高热值、无污染、可再生的优点，是理想的新一代清洁能源。

与化石能源相比，氢气燃烧发热量为28700kcal·kg -1，优质煤炭为8000kcal·kg -1，汽油为10630kcal·kg -1，天然气为11930kcal·kg -1。

氢能利用的关键技术在于储存，全世界科学家投入大量的精力，以开发安全经济的储存技术，现有氢气的储存方法有液化储存、压缩储存、金属氢化物储存、吸附储存等。

在作为结构材料的高压压缩氢气储存技术领域，以及作为功能材料的吸附储存技术领域中，碳基材料都发挥着关键的作用，也是过去几十年的研究焦点。

1　功能型碳基储氢材料功能型碳基储氢材料是依据碳基吸附材料可在低温条件下物理吸附储氢，高温下氢气解吸附的原理，进行氢气的储存和利用。

碳基吸附材料的比重轻，对氢气的吸附量大，经济性好，对气体中的杂质不敏感且可以循环使用。

碳纳米材料综述课程：纳米材料日期：2015 年12 月碳纳米材料综述摘要：纳米材料是一种处于纳米量级的新一代材料，具有多种奇异的特性，展现特异的光、电、磁、热、力学、机械等物理化学性能，这使得纳米技术迅速地渗透到各个研究领域，引起了国内外众多的物理学家、化学家和材料学家的广泛关注，也成为当前世界最热门的科学研究热点。

物理学家对纳米材料感兴趣是因为它具有独特的电磁性质，化学家是因为它的化学活性以及潜在的应用价值，材料学家所感兴趣的是它的硬度、强度和弹性。

毫无疑问，基于纳米材料的纳米科技必将对当今世界的经济发展和社会进步产生重要的影响。

因此，对纳米材料的科学研究具有非常重要的意义。

其中，碳纳米材料是最热的科学研究材料之一。

我们知道，碳元素是自然界中存在的最重要的元素之一，具有sp、sp2、sp3等多种轨道杂化特性。

因此，以碳为基础的纳米材料是多种多样的，包括常见的石墨和金刚石，还包括近几年比较热门的碳纳米管、碳纳米线、富勒烯和石墨烯等新型碳纳米材料。

关键词：纳米材料碳纳米材料碳纳米管富勒烯石墨烯1．前言从人类认识世界的精度来看，人类的文明发展进程可以划分为模糊时代（工业革命之前）、毫米时代（工业革命到20世纪初）、微米和纳米时代（20世纪40年代开始至今）。

自20世纪80年代初，德国科学家Gleiter提出“纳米晶体材料’，的概念，随后采用人工制备首次获得纳米晶体，并对其各种物性进行系统的研究以来，纳米材料己引起世界各国科技界及产业界的广泛关注。

纳米材料是指特征尺寸在纳米数量级（通常指1—100 nm）的极细颗粒组成的固体材料。

从广义上讲，纳米材料是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级的材料。

通常分为零维材料（纳米微粒），一维材料（直径为纳米量级的纤维），二维材料（厚度为纳米量级的薄膜与多层膜），以及基于上述低维材料所构成的固体。

从狭义上讲，则主要包括纳米微粒及由它构成的纳米固体（体材料与微粒膜）。

储氢材料的研究概况与发展方向随着社会发展、人口增长，人类对能源的需求将越来越大。

以煤、石油、天然气等为代表的化石能源是当前的主要能源，但化石能源属不可再生资源，储量有限，而且化石能源的大量使用，还造成了越来越严重的环境污染问题。

因此，可持续发展的压力迫使人类去寻找更为清洁的新型能源。

氢能作为一种高能量密度、清洁的绿色新能源，氢能的如何有效利用便引起了人们的广泛研究。

目前来看，氢能的存储是氢能应用的主要瓶颈。

氢能工业对储氢的要求总的来说是储氢系统要安全、容量大、成本低、使用方便。

美国能源部将储氢系统的目标定为：质量密度为6.5%，体积密度为62kgH2/m3。

瞄准该目标，国内外展开了大量的研究。

本文综述了目前所采用或正在研究的主要储氢材料与技术，包括金属氢化物、碳质材料、配位氢化物、水合物，分析了它们的优缺点，同时指出其相关发展趋势。

1金属氢化物金属氢化物储氢具有安全可靠、储氢能耗低、储存容量高（单位体积储氢密度高）、制备技术和工艺相对成熟等优点。

此外，金属氢化物储氢还有将氢气纯化、压缩的功能。

因此，金属氢化物储氢是目前应用最为广泛的储氢材料。

储氢合金是指在一定温度和氢气压力下，能可逆地大量吸收、储存和释放氢气的金属间化合物。

储氢合金由两部分组成，一部分为吸氢元素或与氢有很强亲和力的元素（A）,它控制着储氢量的多少，是组成储氢合金的关键元素，主要是I A~ VB族金属，如Ti、Zr、Ca、Mg、V、Nb、Re（稀土元素）；另一部分则为吸氢量小或根本不吸氢的元素（B），它则控制着吸/放氢的可逆性，起调节生成热与分解压力的作用，女口Fe、Co、Ni、Cr、Cu、Al等。

图1列出了一些金属氢化物的储氢能力。

目前世界上已经研制出多种储氢合金，按储氢合金金属组成元素的数目划分，可分为：二元系、三元系和多元系；按储氢合金材料的主要金属元素区分，可分为：稀土系、镁系、钛系、钒基固溶体、锆系等；而组成储氢合金的金属可分为吸氢类（用A表示）和不吸氢类（用B表示），据此又可将储氢合金分为：AB5型、AB2 型、AB 型、A2B 型。