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一维碳纳米材料储氢机理及应用前景

新型炭材料 2002年第2期17卷 73-76页

作者：刘治陈晓红宋怀河北京化工大学材料科学与工程学院可控化学反应的科学与技术基础教育部重点实验室北京100029

氢能的储存是氢能利用的关键 ,一维碳纳米材料具有非常高的比表面积及一些常规材料所不具备的特异效应和性能 ,因此有望成为颇具优势的储氢材料。通过简述一维碳纳米材料储氢在各国的研究成果 ,表明其储氢容量比现有的一般储氢技术高 1... 详细信息

氢能的储存是氢能利用的关键 ,一维碳纳米材料具有非常高的比表面积及一些常规材料所不具备的特异效应和性能 ,因此有望成为颇具优势的储氢材料。通过简述一维碳纳米材料储氢在各国的研究成果 ,表明其储氢容量比现有的一般储氢技术高 1至 2个数量级 ,引起世人的瞩目 ;详细介绍了碳纳米纤维的储氢机理 ,可能包括氢的物理和化学吸附两种形式 ,详细情况尚待深入研究 ;除此以外 ,还有许多诸如 :如何提高体积储氢密度和氢的吸脱附速度及动力学和实用条件下的吸放氢研究等问题需要解决。

关键词：一维碳纳米材料储氢机理应用前景吸附

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纳米碳管储氢机理的电化学研究

新型炭材料 2002年第4期17卷 49-52页

作者：戴贵平赵志刚刘敏侯鹏翔王茂章成会明中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家实验室辽宁沈阳110016

　对流动催化剂法制备的平均直径为6nm的多壁纳米碳管(Multi walledcarbonnanotubes,MWNTs)进行纯化处理,提纯后的多壁纳米碳管利用透射电镜(TEM)表征和电化学储氢研究,同时对该纳米碳管电极进行了自放电实验。结果表明:多壁纳米碳管具... 详细信息

　对流动催化剂法制备的平均直径为6nm的多壁纳米碳管(Multi walledcarbonnanotubes,MWNTs)进行纯化处理,提纯后的多壁纳米碳管利用透射电镜(TEM)表征和电化学储氢研究,同时对该纳米碳管电极进行了自放电实验。结果表明:多壁纳米碳管具有很高的电化学储氢容量(739mAh g),但氢与多壁纳米碳管之间的作用力很微弱,氢很容易从多壁纳米碳管中逃逸出。另外,通过对多壁纳米碳管的气相储氢性能的测试,根据实验结果推测:纳米碳管电化学储氢和气相储氢的主要吸附机理相同,即都是物理吸附。

关键词：纳米碳管储氢机理电化学制备电极

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温和条件下甲烷提高水合物储氢稳定特性机理

天然气工业 2024年第2期44卷 188-196页

作者：王芳穆金池张政黄泽皑郭利红周莹西南石油大学新能源与材料学院油气藏地质及开发工程全国重点实验室·西南石油大学四川金象赛瑞化工股份有限公司

CH_(4)作为促进剂可大幅降低水合物储氢苛刻的热力学条件并提高H_(2)水合物的总储能密度,但目前对CH_(4)提升水合物储氢机理的认识较为缺乏。为此,通过分子动力学模拟研究并建立了CH_(4)/H_(2)双客体分子水合物模型,采用径向分布函数、... 详细信息

CH_(4)作为促进剂可大幅降低水合物储氢苛刻的热力学条件并提高H_(2)水合物的总储能密度,但目前对CH_(4)提升水合物储氢机理的认识较为缺乏。为此,通过分子动力学模拟研究并建立了CH_(4)/H_(2)双客体分子水合物模型,采用径向分布函数、构象分析和均方位移等方法综合分析了不同温度和压力下水合物结构的稳定性,探究了H_(2)占据孔穴位置、占据比例和水合物热力学稳定性之间的关联,揭示了温和条件下CH_(4)促进水合物储氢的微观机理。研究结果表明:(1)纯H_(2)水合物在严苛条件下笼型结构破损严重,而纯CH_(4)水合物在263~273 K及5~20 MPa温压条件下能稳定存在,说明CH_(4)水合物具备良好的热力学稳定性;(2) 263 K下储氢结构更为稳定,而5^(12)小笼可填充1~2个H_(2)分子,5^(12)6~2大笼中最佳储存3个H_(2)分子,且大笼储氢结构对水合物稳定性影响大,受温度的影响更为敏感。结论认为,CH_(4)/H_(2)水合物储氢体系3L+2S、3L+2L、2S+2S体系在263 K、15~20 MPa温和条件下综合性能较好,其中3L+2S具备最优的热力学稳定性,储氢密度可达0.301%(质量百分比),该研究成果可为水合物储氢技术开发提供理论指导和技术参考。

关键词：氢气水合物甲烷储氢技术储氢密度分子动力学储氢机理稳定性

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基于过渡金属材料储氢的机理研究

基于过渡金属材料储氢的机理研究

作者：肖红湘潭大学

学位级别：硕士

氢气是二十一世纪最有希望替代化石能源的一种新型清洁能源燃料。目前,在氢能商业化应用的过程中遇到的最大难题之一就是如何安全、有效、经济的储氢。传统储氢方式中的高压气态储氢,液态和固态储氢都不是理想的储氢方式,难以满足未来... 详细信息

氢气是二十一世纪最有希望替代化石能源的一种新型清洁能源燃料。目前,在氢能商业化应用的过程中遇到的最大难题之一就是如何安全、有效、经济的储氢。传统储氢方式中的高压气态储氢,液态和固态储氢都不是理想的储氢方式,难以满足未来氢储存的要求。过渡金属元素储氢在氢吸附强度与储氢能力上都表现出了室温储氢的发展潜力,因此,近年来人们做了大量利用过渡金属元素设计高密度储氢材料的研究。本论文基于密度泛函第一性原理的计算方法详细研究了单个3d过渡金属原子的氢吸附结构、吸附机制、及过渡金属原子Sc、Ti、V与满壳层过渡金属原子Pd分散在基底(8,0)碳纳米管上的氢吸附情况和氢吸附机制。其主要内容包括: 首先详细研究了3d过渡金属原子的氢吸附能力、强度、结构和氢吸附机制。研究结果表明:所有3d过渡金属中除Cu与Zn不吸附氢以外,其他的过渡金属元素均能至少吸附8个氢分子,且吸附8个氢分子的稳定结构很相似。这些有趣的氢吸附结构的出现是由于过渡金属元素的氢吸附机制决定的。因为:(i)过渡金属元素的氢吸附结构是由过渡金属元素吸附氢后占据在d轨道的电子排布决定,氢分子分布在金属原子电荷密度分布较少的区域。因此,d轨道的电子排布不仅影响其吸附结构,而且决定了该元素的氢吸附能力。(ii)过渡金属元素的氢吸附能主要由静电吸附决定。该静电吸附是由于过渡金属原子吸附氢后,其4s→3d电荷转移,从而在金属元素周围形成了较大的极化静电场,导致氢分子的极化吸附。同时吸附的氢分子在极化电场作用下形成的超分子结构,使H2-H2之间存在较强的相互作用,进一步降低了金属对氢分子的吸附能。通过过渡金属单原子氢吸附的研究表明,早期过渡金属元素Sc,Ti,V具有非凡的氢吸附能力。而碳纳米管具有独特优越的性质,可作为分散衬底材料。作为示例,我们研究了Sc,Ti,V分散在(8,0)碳纳米管上的氢吸附能力。正如我们预测的一样,由于空间结构的影响,Sc,Ti,V/(8,0)SWCNT可吸附4个氢分子。如果Sc,Ti,V原子均匀分散在(8,0)SWCNT上,其储氢重量比可达8.00 wt.%,且吸附能(约–0.54 eV)在室温储氢范围内。这些计算结果表明:Sc、Ti、V与SWCNT复合体系都是一种非常优越的储氢材料,这为我们设计储氢材料提供了理论依据。此外我们还探讨了满壳层Pd原子分散在SWCNT上的氢吸附。单个Pd原子附着在SWCNT上,最多能吸附2个氢分子。如果Pd均匀分散在SWCNT上,其储氢重量比为2.88 wt.%。该计算结果与实验测量值能很好的相符,有力的佐证了我们计算方法和模型的有效性。

关键词：氢储存储氢机理吸附能密度泛函理论

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煤岩吸附氢气特征及其地质意义

煤炭学报 2024年第3期49卷 1501-1517页

作者：韩双彪王缙黄劼金之钧刘全有万永平王振川刘宇乔钰中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院北京100083 北京大学能源研究院北京100871 页岩油气富集机理与高效开发全国重点实验室北京100871 陕西延长石油(集团)有限责任公司气田公司陕西延安716000

氢气有望成为接替化石能源的重要清洁能源类型,可以减少全球温室气体排放,但是规模化的氢气产业需要大型的储库来储存氢气,利用地下储层储集大量氢气已成为一条新的思路。以中国鄂尔多斯盆地、沁水盆地及宁武盆地石炭—二叠系山西组及... 详细信息

氢气有望成为接替化石能源的重要清洁能源类型,可以减少全球温室气体排放,但是规模化的氢气产业需要大型的储库来储存氢气,利用地下储层储集大量氢气已成为一条新的思路。以中国鄂尔多斯盆地、沁水盆地及宁武盆地石炭—二叠系山西组及太原组11个不同变质程度煤岩样品为研究对象,利用氢气等温吸附实验,结合朗格缪尔模型、比表面积和总孔体积评价了煤岩吸附氢气量,结合煤岩煤质、有机地化、矿物及孔隙结构特征对煤岩吸附氢气机理进行了探讨。研究表明:朗格缪尔模型适用于模拟煤岩吸附氢气潜力计算与评价,不同变质程度煤岩均具有较高的氢气吸附量,且变质程度越高、有机质丰度越高、微孔越为发育的煤岩,其氢气吸附量越高。煤岩中的氢气主要通过范德华力被物理吸附在煤岩表面,随着煤岩变质程度升高,有机质参与形成的微孔越多,提供的孔体积及总比表面积逐渐增加,提高了氢气吸附量,且较高的孔隙连通性可以提高氢气进入孔隙并被吸附的效率。煤岩吸附氢气量会随压力增大而增大,但由于分子间斥力等原因,吸附速率逐渐下降,氢气储存逐渐达到饱和。中国深部煤层较为发育,为煤层储氢提供了良好的基础,但由于化学反应、竞争吸附等问题,氢气在煤岩储层中会发生损耗和散失。利用高压进行氢气封存或采出氢气会对煤岩储层结构产生不可逆破坏,这对于通过煤岩储层进行氢气的一次或多次储存都存在不利影响。变质程度较高的深部煤层作为储氢层位具备一定潜力,但仍需进一步研究以克服氢气损耗和储层破坏等关键问题。

关键词：深部煤岩氢气吸附储氢潜力氢气消耗储氢机理

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碱金属氢化物添加对Mg(NH2)2-2LiH复合体系储氢性能的影响及其机理

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碱金属氢化物添加对Mg(NH2)2-2LiH复合体系储氢性能的影响及其机理

作者：章佳勋浙江大学

学位级别：硕士

Mg(NH)-2LiH复合储氢体系具有相对适宜的热力学性能和相对较高的可逆储氢容量,是目前最具潜力的实用化型储氢材料之一,但该体系具有吸放氢动力学壁垒较高的缺点,其吸放氢温度尚不能满足实际应用的要求。为了降低吸放氢温度,提高吸放氢... 详细信息

Mg(NH)-2LiH复合储氢体系具有相对适宜的热力学性能和相对较高的可逆储氢容量,是目前最具潜力的实用化型储氢材料之一,但该体系具有吸放氢动力学壁垒较高的缺点,其吸放氢温度尚不能满足实际应用的要求。为了降低吸放氢温度,提高吸放氢动力学性能,本文系统研究了碱金属氢化物添加对Mg(NH)-2LiH复合体系的储氢性能的影响规律,对比了 K、Rb、Cs氢化物的改性效果,揭示了相关作用机制。研究了 CsH的可控合成及其添加对Mg(NH)-2LiH体系储氢性能的影响。结果发现,在50 bar氢压条件下,通过球磨50 ℃的Cs金属12 h,可以得到CsH。将制备得到的CsH添加进Mg(NH)-2LiH复合体系,可以显著降低其吸放氢温度,提高其吸放氢速率。优化添加比例可知,Mg(NH)-2LiH-0.08CsH样品具有较好的储氢性能。其放氢是一个两步反应,放氢起始温度仅为70 ℃,有效储氢量可达4.6 wt%。130℃完全放氢后的Mg(NH)-2LiH-0.08CsH样品,起始吸氢温度仅为55 ℃,且具有良好的吸氢动力学性能,在120 ℃/100 bar氢压的条件下,20min内即可吸收4wt%以上的氢。成分和结构分析表明,在高能球磨过程中,CsH可以与Mg(NH)反应,转变为CsNH2,新生成的CsNH2在起始加热阶段,作为催化剂降低了该体系第一步放氢反应的活化能;随着加热温度的升高,CsNH2参与到该体系第二步放氢反应,并降低了其反应焓变。由此可见,CsH添加不但降低了 Mg(NH)-2LiH复合体系的放氢反应动力学壁垒,而且改善了其放氢热力学性能。在上述研究的基础上,通过KH部分替代Mg(NH)-2LiH-0.08CsH体系中的CsH,进一步改善了 Mg(NH)-2LiH复合体系的综合储氢性能。结果显示,KH部分替代CsH,提高了 Mg(NH)-2LiH复合体系的有效储氢容量,有效地改善了该体系的放氢动力学性能,但恶化了该体系的吸氢动力学性能。其中,Mg(NH)-2LiH-0.04CsH-0.04KH样品的吸放氢起始温度分别为60 ℃和70 ℃,可逆储氢量高达4.9wt%,呈现出较好的综合储氢性能。热力学和动力学测试发现,CsH和KH共添加不仅降低了 Mg(NH)-2LiH复合体系的放氢反应活化能,而且降低了其放氢焓变,为其提供了一条热力学动力学更为有利的放氢反应路径,从而提高了 Mg(NH)-2LiH体系的吸放氢动力学性能,降低了该体系的吸放氢温度。循环测试表明,Mg(NH)-2LiH-0.04CsH-0.04KH样品经过30次吸放氢循环后,仍有4.2wt%以上的可逆储氢量,呈现出较好的循环稳定性能。对比研究了 KH、RbH和CsH三种碱金属氢化物的添加对Mg(NH)-2LiH复合储氢体系吸放氢行为的影响及其机制。研究表明,KH、RbH和CsH添加到Mg(NH)-2LiH复合体系后,样品的放氢起始温度均降低到了 75℃左右,放氢结束温度在215 ℃左右,但由于Rb和Cs的原子质量远大于K,添加0.08 mol KH的样品的实际放氢量为5.15 wt%,而添加0.08 mol RbH和CsH的样品的实际放氢量分别仅为4.8 wt%和4.6 wt%。Kissinger计算和DSC测试可知,添加KH可以显著地改善Mg(NH)-2LiH复合储氢体系的放氢反应动力学性能,降低该体系第一步放氢反应的活化能;而添加CsH和RbH对Mg(NH)-2LiH体系的第二步放氢反应的焓变降低更为明显,为Mg(NH)-2LiH体系的放氢反应提供了一条在热力学上更有利的反应路径。等温吸氢曲线对比发现,在120℃,保温10 min后,Mg(NH)-2LiH-0.08RbH样品吸收了近90%的氢气,呈现出较好的吸氢性能。循环测试结果表明,添加RbH的样品由于其较为优异的吸氢动力学性能以及较好的放氢动力学热力学性能,其循环稳定性较好,循环10次后的容量保持率达到 97%。

关键词：储氢材料氨基物氢化物碱金属氢化物 Mg(NH2)2-2LiH体系储氢性能储氢机理

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纳米碳管储氢实验和机理研究

材料科学与工程 2001年第4期19卷 143-145页

作者：何少龙沈建其王新庆王淼浙江大学物理系浙江杭州310027 浙江近代物理中心

本文简要回顾了储氢材料研究的发展情况 ,主要介绍了纳米碳管储氢的实验进展。作者对纳米碳管储氢的机理方面进行了初步探讨 ,针对单壁纳米碳管。

关键词：纳米碳管储氢解离凝聚机制储氢材料储氢机理

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镁基储氢材料的研究进展

科学通报 2022年第19期67卷 2158-2171页

作者：张秋雨杜四川马哲文林羲邹建新朱文任莉李映辉上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心上海200240 上海交通大学材料科学与工程学院上海200240 上海交通大学氢科学中心上海200240

镁基储氢材料具有储氢量高、镁资源丰富以及成本低廉等优点,被认为是极具应用前景的一类固态储氢材料.然而其吸放氢焓值高且氢在镁氢化物中扩散系数低,导致吸放氢温度过高、吸放氢速度缓慢,限制了其在氢能领域的应用.近年来,大量研究工... 详细信息

镁基储氢材料具有储氢量高、镁资源丰富以及成本低廉等优点,被认为是极具应用前景的一类固态储氢材料.然而其吸放氢焓值高且氢在镁氢化物中扩散系数低,导致吸放氢温度过高、吸放氢速度缓慢,限制了其在氢能领域的应用.近年来,大量研究工作聚焦于镁基储氢材料的热/动力学改性,目前已经取得了大量的成果.本文针对国内外镁基储氢材料的研究现状,归纳了镁基储氢材料的改性方法,重点阐述了合金化、催化剂添加、纳米化、氢化物复合对镁基储氢材料吸放氢热/动力学性能、微观结构、物相变化、吸放氢机理的影响.最后,对该领域的研究成果进行了总结,并展望了未来的发展方向.

关键词：储氢 MgH_(2) 镁基储氢材料储氢机理吸放氢性能

钴/铌基催化剂的制备及其催化轻质储氢料性能的研究

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钴/铌基催化剂的制备及其催化轻质储氢料性能的研究

作者：桑振桂林电子科技大学

学位级别：硕士

金属/配位氢化物具有较高的储氢容量和低成本的优点,是非常有前景的固态储氢材料。其中,具有代表性的配位/金属氢化物Na BH和Mg H引起了广泛的关注。Mg H、Na BH因为动力学性能差、热力学稳定性高和循环利用性低制约了它的实际应用。研... 详细信息

金属/配位氢化物具有较高的储氢容量和低成本的优点,是非常有前景的固态储氢材料。其中,具有代表性的配位/金属氢化物Na BH和Mg H引起了广泛的关注。Mg H、Na BH因为动力学性能差、热力学稳定性高和循环利用性低制约了它的实际应用。研究发现催化剂可以改善其制氢、储氢性能。为了系统地探究催化剂对Na BH、Mg H的制氢、储氢性能的影响。本文首先采用了化学原位还原法制备了Co-B-P/Graphene Oxide(GO)催化剂,将其用于催化Na BH水解制氢。然后,采用了溶剂热和热处理的方法制备了TiNbO(TNO)微球和纳米Ni NbO(NNO)两种催化剂,将它们应用于Mg H储氢性能的研究。得出的主要结论如下:(1)通过化学原位还原法制备了石墨烯改性的Co-B-P颗粒(Co-B-P/GO)催化剂。对比了不同GO添加量下的Co-B-P/GO催化剂用于Na BH水解制氢,结果表明,所制备的GO含量为75 mg的催化剂(Co-B-P/75GO)表现出最佳的催化活性,25℃时的产氢速率为12087.8 m L·min·g,是Co-B-P催化剂(3872.9m L·min·g)的3倍。此外,Co-B-P/75GO催化Na BH水解还表现出28.6 k J·mol优异的活化能以及催化剂在经过10次循环后仍具有初始催化速率的88.9%,这表明了Co-B-P/75GO催化剂具有良好的循环稳定性。(2)采用溶剂热和热处理法合成了TNO微球催化剂,并采用机械球磨法将其与Mg H进行球磨。放氢性能测试表明Mg H-7 wt%TNO微球具有最佳的储氢性能,体系起始放氢温度为189.1°C。等温放/吸氢结果表明,体系在300°C下,20 min内放氢量可达6.69 wt%H,最大放氢速率为0.61 wt%·min;在200°C和5 MPa H压力下,在10 min内吸收了6.38 wt%H,最大加氢速率为1.43wt%·min。体系的放氢活化能为92.7±1.9 k J·mol,吸氢活化能为-26.0±1.4k J·mol。体系的解吸/吸附过程中的焓变(ΔH/ΔH)为69.6±2.3/-65.1±0.3k J·mol H。机理分析发现,体系的等温脱氢过程遵循几何收缩和二维相界扩散为主的二维相界模式。原位产生的低价Ti(即(Ti(2+)和Ti(0))、Nb(即Nb(4+)和Nb(2+)))的催化活性中心作为电子转移载体,促进了H/H(0)与Mg/Mg之间的电子e转移,它们的协同作用增强了Mg H的储氢性能。循环测试表明,体系在经过15次循环后,放氢可逆容量保持在6.22 wt%H,相当于第一次循环放氢容量的93.8%。由于原位形成的多价态Ti/Nb催化活性物种在循环过程中并没有发生变化,从而导致良好的循环性能。(3)通过简单的两步水热和热处理的方法合成了纳米NNO催化剂。进一步通过机械球磨法将其掺杂到Mg H中。Mg H-5 wt%Nano NNO体系在205.3°C开始放氢。等温吸/脱氢实验表明,体系在300℃下,20 min内放氢量可达6.19wt%H,在200°C和5 MPa氢压下,在10 min内吸收5.52 wt%H。体系的放氢活化能是105.4±1.8 k J·mol,吸氢活化能为-27.2±1.4 k J·mol。体系的解吸/吸附过程中的焓变(ΔH/ΔH)为72.8±1.8/-70.3±2.0 k J·mol H。机理分析表明,体系的等温脱氢过程遵循几何收缩和二维相界扩散为主的二维相界模式。放/吸氢过程原位生成的Nb O/Nb O和MgNi/MgNi H催化活性物种可以实现动力学和热力学性能的双重调节,它们的协同催化作用改善了的储氢性能。循环测试表明体系在经过10次循环后的放氢容量仍然可以保持为5.49 wt%H,相当于第一次循环容量的84.3%。而在10次循环后Nb O/Nb O和MgNi/MgNi H催化活性物种依然存在于Mg H基体中,从而导致良好的循环性能。

关键词：储氢材料 NaBH4 MgH2 储氢机理催化热力学