活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　富氧活性炭的儲氫能力，活性炭已經被廣泛研究用于儲氫，但是迄今為止，它們的儲存容量似乎具有上限。在這里，為了規避這個上限，我們研究了富氧活性炭的能力。本文中講述了醋酸纖維素制成的活性炭，結合了多種優點具有高表面積和孔隙體積，還有自身孔隙幾乎完全是微孔特征(大于90%的微孔含量)，具有富氧性質。

　　氫氣作為替代機動車輛中的汽油燃料是有一定吸引力的，作為推動氫經濟的一部分。與目前使用的化石燃料相比，氫具有使其作為燃料更有利的優點，包括潛在的可再生和對環境友好(氫燃燒或電化學氧化的唯一副產物是水，這將減少CO2排放)，以及具有高重量能量密度。然而，作為可行的車輛燃料的氫的廣泛存儲，運輸和應用受到一些難題。因此，固態材料中氫的儲存是能更好使用氫的關鍵�；钚蕴恐袑�氫吸收的最重要因素是表面積，孔體積和孔徑。特別是，存儲在活性炭的氫氣量之間的鏈路。但是儲存在活性炭中的氫的量仍然受到分子氫與其孔壁表面之間的弱相互作用而產生限制。理想的活性炭儲氫材料是具有高表面積和與吸附的氫分子儲存相互作用。

　　因此，在這項研究中，我們利用活性炭前體的類型與最終活性炭的性質之間的關系來生成一組多孔碳，這組材料具有高表面積和高水平的微孔率以及高氧含量，還有相似的孔隙尺寸。并且研究了富氧活性炭的特性及其吸氫性能，并將它們與目前的其他材料進行了比較。為了探測表面氧對活性炭的氫吸收性質的影響，我們設計了活性炭合成方法來生成具有高氧含量的材料。因此，我們使用醋酸纖維素，其被稱為CA(并且具有0.93的O/C原子比)作為起始材料，而不是例如具有0.83的O/C比的纖維素。

　　活性炭的多孔性

　　合成富含氧的活性炭，具有低水平的石墨化。為了用作儲氫材料是有用的，活性炭顯示出孔隙率主要源自微孔高水平。使用氮吸附分析探測活性炭的孔隙率�；钚蕴康牡�吸附等溫線如圖1a所示。所有三個樣品都顯示出通常為微孔材料獲得的I型等溫線。隨著活化溫度從600℃變化到700℃，吸附的氮量(其為碳中孔隙率的量度)顯著上升，然后在800℃下制備的樣品下降。然而，等溫線的形狀幾乎沒有變化，這表明盡管孔隙率大大增加，但仍保持微孔的水平。增加了總的孔隙率在活性炭通常與在等溫線的形狀的變化相關聯，尤其是加寬吸附。

　　圖1、活性炭的孔隙率�；罨�的碳被標記為CA-4T，其中4是活化KOH/碳比，T是活化溫度。顯示了氮吸附等溫線(a)和相應的孔徑分布曲線(b)。

　　活性炭的氫儲存能力

　　活性炭中的氫儲存需要具有最高表面積和適當尺寸的孔的材料。在-196和25℃下使用重量法在HidenXEMIS分析儀上在0-30巴的壓力范圍內研究活性炭的儲氫能力。圖2顯示了活性炭在-196℃下的過量和總氫吸收等溫線。對于所有CA-4T活性炭，氫吸收是可逆的，沒有滯后現象，并且在0-30巴的壓力范圍內沒有達到飽和。我們首先注意到1巴的氫吸收非常令人印象深刻，在3.1-3.9wt%的范圍內。這種儲氫比為高表面積活性炭傾向于在2-3重量%范圍內的任何報告的值高得多。我們將這種特別高的吸收特性歸因于非常高的微孔表面積和富氧表面的組合，特別是對于3.9重量%的活性炭樣品CA-4700。富氧表面的效果是對于活性炭樣品CA-4600，其盡管具有適度總表面積和微孔表面，仍然表現出的吸收比以前發現的活性炭材料具有高得多的表面積。經過研究發現，具有氧官能團的活性炭效果預期在低壓下具有最大效果，其中氫和表面之間的相互作用比在較高壓力下更重要，其中通過空間填充機制更可能發生氫吸收。

　　圖2、活性炭的儲氫能力，在-196℃下活性炭的過量和總氫吸收。

　　使用醋酸纖維素的水熱碳化產生水合物，其在活化時產生富氧活性炭，這類活性炭其具有非常高的表觀面積，具有大部分表面積，微孔產生率達到92%。活性炭只有一小部分尺寸大于2納米的孔。通過IR和XPS研究證實了氧官能團(COOH，C-OH和O-C=O)的存在。與來自其他前體(例如，纖維素，木質素，鋸末，淀粉等)做成的活性炭比較分析表明，富含氧的性質和高微孔性對于醋酸纖維素衍生的活性炭是獨特的。由于高表面積，高微孔率和富氧性質的綜合影響，活性炭在-196°C時表現出增強的重量儲氫能力，高達8.1wt%(總吸收)和7.0wt%(過量吸收)20巴，在30巴下升至8.9wt%(總吸收)和7.2wt%(過量吸收)�；钚蕴吭谑覝叵乱脖憩F出優異的氫吸收。這些足以證明富氧活性炭優秀的儲氫能力。

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