多孔矿物材料
第20卷第3期2006年3月
化工时刊
ChemicalIndustryTimes
VoI.20,No.3
Mar.3.2006
多子L吸附储氢材料研究进展
尚福亮
杨海涛
韩海涛
(武汉理工大学新材料复合技术国家重点实验室,湖北武汉430070)
摘要综述了氢存储研究的重要性和国内外多孑L吸附储氢材料的研究工作,对碳基多孔材料、纳米管材料、多孔矿物材料和金属有机物多孔材料在锗氢中的研究热点和存在问题进行了详细介绍,并对未来多孔吸附储氢材料的研究工作进行了展望。
关键词氢存储纳米管沸石MOFs
Development
on
PorousAbsorbingShangFuliang
Materials
forHydrogenStorage
YangHaitao
HanHaitao
Wuhan
Univemityl
(StateKeyLabofAdvancedTechnologyforMaterialsSynthesisandProcessing
ofTechnology,Hubei
Wuhan430070)
porous
materialsforhydrogenstorage
arere—
Abstract
Theimportanceofhydrogenstorageandthedevelopmentof
viewed.Allkindsofhydrogenabsorbingterials,nanotubematerials,mineral
materialsbased
on
porousmaterial
are
introducedindetail,includingthecarbonma—
materials
andmetal—organicframeworksmaterials.Theresearchtrendoftheporous
ma—
terialsforhydrogenstorageweresuggested.
Keywords
hydrogen
storage
nanotube
zeolite
MOFs
氢能,因其具有众多优异的特性而被誉为21世纪的绿色新能源。首先氢能具有很高的热值,燃烧
1
Ⅱ氢的壹缱堡垄皇垡查塑鉴
衡量储氢性能的标准主要有两个:体积密度(kgH2/m3)和储氢质量分数。体积密度为单位体积系统内储存氢气的质量,储氢质量分数为系统储存氢气的质量与系统质量的比值。还有其它的参数,如充、放氢的可逆性、充放气速率及可循环使用寿命等同样
非常重要。
传统的氢气存储方式主要有气态和液态两种。
kg氢气可产生1.25
X
106
kJ的热量,相当于3kg汽
油或4.5kg焦炭完全燃烧所产生的热量;其次,氢燃
烧释能后的产物是水,对环境友好无污染,是绿色清
洁能源;此外,氢是宇宙中最丰富的元素,来源广泛,可通过太阳能、风能、地热能等自然能分解水而产生,
为可再生能源,不会枯竭。当前,世界上许多国家都
在加紧部署、实施氢能战略,迎接氢经济时代的到来,如美国针对规模制氢的“FutureGen”计划,日本的
“New
气态方式较为简单方便,也是目前储存压力低于17MPa氢气的常用方法,但体积密度较小是该方法严重
的技术缺陷,而且气态氢在运输和使用过程中也存在
Sunshine”和欧洲的“Framework”计划等uJ。氢能
的利用关键在于氢的存储及储氢材料的开发,有关储氢材料的研究主要可以概括为三大类:金属储氢材料、多孔吸附储氢材料、有机液态储氢材料等.本文主要针对当前储氢材料的研究热点和存在问题,对多孔吸附储氢材料的国内外研究状况进行了较为详细的
论述,并对其未来发展趋势进行展望。
收稿日期:205—12—20
易爆炸的极大安全隐患。液态储氢方法的体积密度
(70kg/m3)高,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%。而且液态氢使用条件苛刻,对储罐绝热性能要求高,目前只限于在航天技术领域应用。利用
作者简介:尚福亮(1977一),男,博士生,研究方向:功能材料。E—mail:Feiyun8086@hotmail
一58—
万方数据
多孔矿物材料
尚福亮等多孔吸附储氢材料研究进展
储氢材料与氢气反应生成固溶体和氢化物的固体储氢方式,能有效克服气、液两种储存方式的不足,而且储氢体积密度大、安全度高、运输便利。根据技术发展趋势,今后储氢研究的重点是在新型高性能大规模储氢材料上,目前研究比较广泛和深入的主要是多孔
吸附储氢材料。
日垒塾咝堕熊氢楚型
多孔固体材料储氢,因其工作压力低、储存容器重量轻、形状选择余地大等优点,成为当前储氢材料开发和研究的热点。作为储氢用多孔吸附材料基本
上可分为4类:碳基多孔材料、非碳纳米管类材料、矿物多孔材料和金属有机物多孑L材料。2.1碳基多孔材料
在吸附储氢材料中,碳基材料是非常好的吸附
剂,主要包括活性碳和碳纳米管等。活性炭储氢是在
中低温(77~273K)、中高压(1—10MPa)下利用超高
比表面积的活性炭作吸附剂的吸附储氢技术。与其它储氢技术相比,超级活性炭储氢具有经济、储氢量高、解吸快、循环使用寿命长和容易实现规模化生产等优点,是一种颇具潜力的储氢方法。在活性炭中分
布着很多尺寸和形状不同的小孔,一般根据孔的尺寸
可以将其分为3类;即孔径<2nm的微孔,2~50
nm
的中孔,>50nm的大孔。微孔又可细分为超微孔(0.7。2nm)和极微孔(<0.7nm)。大孔主要是作为
被吸附分子到达吸附点的通道,控制着吸附速度;中
孔和大孑L一样,也支配着吸附速度,但在较高浓度下
会发生毛细凝聚,同时还作为不能进入微孔的较大分
子的吸附点;微孔是由纤细的毛细管壁构成,因而可
使材料表面积增大,相应地也使吸附量提高【2J。研究证实,能够吸附两层氢的孔的大小是最合适的吸附氢
的孔尺寸(大约0.6nm)。同时活性炭储氢性能与温
度和压力也密切相关,温度越低,压力越高,储氢量越
大。低温时,在4.5。6MPa的压力下就可储氢5.2%
(质量分数),而相同压力下,室温时的储氢量却只有
0.1%左右【3、4J。周理等【5J用比表面积为3
000m2/g,
微孔容积为15mIJg(依据c02吸附)的超级活性炭
来储氢,在77k(低温、3MPa下就可储5%的氢气,但随温度升高,储氢量越来越低。
碳纳米管也是一种储氢量大的碳基吸氢材料,有多壁碳纳米管(MWNT)和单壁碳纳米管(SWNT)之
万方数据
2006.V。I.20,No.3■墨圆
分。SWNT和MWNT的共同特点是由单层或多层的石墨片卷曲而成,具有长径比很高的纳米级中空管。
中空管内径为0.7到几10nm,特别是SWNT的内径一般<2nm,而这个尺度是微孔和中孔的分界尺寸,这说明SWNT的中空管具有微孔性质,可以看作是一
种微孔材料。氢气在碳纳米管中的吸附储存机理比较复杂,根据吸附过程中吸附质与吸附剂分子之间相
互作用的区别,可分为物理吸附和化学吸附。碳纳米管最早由日本饭岛博士在1991年首先制得,1997年
Dillin开辟了碳纳米管储氢研究的先河,用单壁碳纳米管在室温和氢气压力40kPa时得到储氢量5%一
10%,并指出氢在高温吸附位上是物理吸附,碳纳米
管的储氢量为活性炭的10倍L6J。李雪松、慈立杰等[7、8]分析了结构和表面特性对碳纳米管储氢性能的影响,认为官能团的存在不利于氢气的吸附。他们通过对碳纳米管进行高温石墨化处理,有效清除了表
面官能团并改善了多壁碳纳米管的晶化程度,在
25℃、10MPa下测定的储氢容量达到了4%。有学者
研究了金属掺杂对碳纳米管储氢容量的影响,Chen等报道的掺杂Li及掺杂K的多壁碳纳米管的储氢量分别高达20%及14%(200—400℃、常压)旧J。但是,
Ralp.T.Yang认为u0|,可能是容器中的气体混入了
水气才得出如此高的储氢量。于是Yang用与Chen
同样的方法及超纯氢(>99.999%)重做了碱金属掺
杂的碳纳米管的储氢实验。结果表明,若用干燥的氢气作为氢源,掺碱金属的碳纳米管的储氢能力只有2%左右。此外,使用催化剂可以有效增强碳纳米管对氢的吸收[11|。Re6uZachafia等【12J研究了掺杂部分Pd和V的碳纳米管的储氢性能,结果发现其储氢量
相对未掺杂时增加了近30%,同时掺杂后的碳纳米管表现出了更好的吸氢动力学性能。2.2非碳纳米管类材料
纳米管是一类极具潜力的储氢材料,除了碳纳米管外,人们还对BN、’riS2和MoS2等纳米管材料的储氢性能进行了深入研究。
BN纳米管具有和碳纳米管相似的电子构型和显
微结构,因而引起科研工作者的极大兴趣。Ma等运
用化学气相沉积法在2000K,N2/NH3气氛下,以热解
B—N—O前驱体的方式制备了多壁型和竹子型两种
BN纳米管【13]。在10MPa的压力下,其储氢量分别
为1.8%和2.6%,而传统工艺制备的BN粉末的储氢
一59—
多孔矿物材料
墨置圆2006.V。I.20,No.3
量仅为0.2%左右。多壁型BN纳米管的吸氢量相对较低,这主要因为多壁型BN纳米管具有封闭式结
构,氢只能吸附在其外表面和空隙中;而竹子型BN纳米管被认为是具有聚合化的纳米钟构造,具有更多的内在结构缺陷,而且在其外表面有很多边缘开裂式
结构的层,有效增加了其比表面积,从而极大的改善
了材料的储氢能力。由此可见比表面积对材料的储
氢性能有着显著的影响。深入的研究进一步印证了
这一点,加热运用CVD法制备的BN纳米管,使其具备折叠弯曲结构,在10MPa的压力下,其储氢量可达
m2/g
增加为789.1
m2/gtl4J。
在Tis2材料中,s—Ti—S层与层之间通过范德华力的作用结合在一起,外来氢原子可以很容易的嵌入到层中,从而实现储氢,因而T娩也是一种较好的储氢材料.Chen【15J等合成了多壁型的TiS2纳米管,其
为末端开口的管状结构,管的外径为30nm,内径为
10
nm,层间距约为0.57nm。这种TiS,纳米管为六方
纳米晶相,其储氢量在25℃,4MPa下可达2.5%,但是随着温度的升高,其吸氢量会迅速降低。TiS:纳米
管吸氢主要是通过化学吸附(40%)和物理吸附(60%)来进行。
MoS2纳米管也是一种与碳纳米管非常类似的纳米管,它可以通过(NH4)2MoS4与氢气直接反应获得。
首先,多晶的(Nt-t4)2MoS4在氢气氛下球磨,球磨后的粉料放在氧化铝基片上,在400下煅烧1h就可制
备成纯度为90%的线状MoS2纳米管u6|。这种纳米
管经过KOH处理后,可以引进更多的结构缺陷,使其
比表面积明显增加,由处理前的22m2/g增大为28
MPa下可达1.2%,而相同
7|。矿物多孔储氢材料是指具有结构性纳米孔道的
以是一维或二维,甚至是三维尺度,通常具有较大的
比表面积,且外表面积相对于内比表面积可以忽略不
一60一万方数据
化工纵横{Comments&Reviews
in
C.I.》
沸石是一种多孔铝硅酸盐矿物,通常按来源划分
为天然沸石(如丝光沸石、浊沸石、八面沸石等)及合
成沸石(如A型、x型、Y型等)两种类型。沸石通常
具有独特的笼,如a、8笼等。笼与笼之间由多元环相
连形成孔道。形成的孔道可在一维、二维或三维方向上相通,分别形成一维孔道体系(如方沸石等)、二维
孔道体系(如钠沸石、斜发沸石等)或三维孑L道体系
(如A型沸石和B型沸石等)的孔结构。沸石笼,尤其是大空腔的笼(如a笼被认为是一种天然、良好的
储氢单元。Nijikamp等H8J对zsM~5沸石(430m2/g)的试验研究表明,在77
K、1
X
105Pa条件下其储量达
0.7%。增加储氢压力至70~90MPa,沸石的每个a
笼可吸附2~2.5个氢分子,氢吸附量至少达2%,与
理论计算结果基本相符。Weitkamp等[19]对具有不同
可交换阳离子的A型沸石的氢吸附性能的研究结果表明,除CsA沸石外,含K+、Na+、Rb+等可交换阳离
子的A型沸石都具有一定的储氢能力,在压力为2.5
。10
MPa,温度为300K条件下,氢吸附量达到了
5.7cm3/g。
总的来说沸石类多孔矿物材料的储氢效果还不
甚理想,这主要是因为此类材料自身具有相对较大的单位质量,同时材料中含有许多不能吸氢的大直径的
空间等。因而在新的储氢材料设计上应注意以下几个方面:新材料应以轻元素为构架,尽可能少含甚或
不含重元素;避免材料中出现无谓的不能吸氢的空穴
单元,同时,新的构架还应有助于增强氢气与材料的相互作用能。有鉴于此,近年来人们开发出一类新的
Eddaoudi[20J等首次提出了基于金属离子和有机
羧酸酯联接剂制备具有网络结构化合物的理论。该
方法运用分子自组装的工艺可对材料的多孔结构进目前报道的最轻的晶体材料,其密度甚至可以小到
g/cm3。z1140(L)3是一种典型的具有立方结构
的MOFs材料,Omar
M.Yaghi[21J合成了一系列的
K时具有高达4.5%的储氢量,即使在
MPa的压力下,其储氢量也达到了0.5%,通
4.2%,BET测试显示其比表面积从开始254.2储氢材料——金属有机物骨架多孔材料。
2.4金属有机物多孔材料
m2/g,其储氢量在25℃,3条件下,多晶的MoS2的吸氢量只有0.2%左右Ll2.3矿物多孔材料
行,材料中孔的大小和功能可以系统地变化.MOFs是
多孔矿物,如:沸石、坡缕石、海泡石等,其纳米孔道可
0.21
计。理论上,多孔矿物储氢原理与多孔固体材料储氢相似,但由于矿物表面通常具有极性,而极性表面会对氢分子产生静电吸引,因此矿物储氢的形式可能是多样的。目前被广泛进行储氢性能研究的多孔矿物
主要是沸石。
MOFs材料。材料中,zn40基团位于立方晶胞的顶角
位置,被作为线性联接剂的有机羧酸酯L联在一起。MOF一5在78室温、1过使用不同的有机联接剂,甚至可以使其吸氢量达到
多孔矿物材料
尚福亮等多孔吸附储氢材料研究进展
2006.V吵20,No.3
I雹臣圃
原来的4倍。
理没有进行系统化的研究,更没有达成共识;②材料除却制备因素的影响外,有机联接剂对氢气的吸的研究中应满足原料来源广、成本低、制造工艺简单,附有着极为重要的影响。Hubnoer幢2J通过理论研究发
比重小、氢含量高,可逆吸放氢速度快、效率高,循环
现氢气分子与不同有机联接剂间的相互作用能会随
使用寿命高等一系列要求;③在改善原有材料性能的着官能团的不同而发生系统的变化。吸引电子基团基础上,同时要注重于新的储氢材料的开发。国际能降低了相互作用能,而排斥电子基团会增加相互作用源协会(IEA)规定未来新型储氢材料的标准:在低于
能;同时,大的芳香族联接剂会比单个的苯环好的多。373
K下吸氢容量大于5%,对于这样的标准,我们的
当前,人们对氢气在MOFs材料中的行为研究还不是研究工作任重而道远!
很清楚,有机联接剂作为氢气的束缚位置起到了很重参考文献
要的作用,同时材料中孔的相对尺寸及氢气分子与孔表面的相互作用能等也是很重要的影响因素。孔的[1]BrendaJohnston,MichaelCMayo,AnshumanKhare,Technovation,相对尺寸要做到既能增加单位体积材料中小孔的数2005.25:569—585
[2]刘振宇,郑经常,王茂章.离子交换与吸附,1997,13(4):353—358目,又能增加单位体积材料的有效束缚点,这样将会
[3]GStan,WMCote.J.LowTemp.Phys.,1999,110:539—544显著改善材料的储氢性能。pan心3J等进行了这方面[4]TCaner,LCornish.Eng.FailureAnal.,2001,8:113—121的相关研究,合成了一种cu基的称作MMOM的材[5]周理.科技导报,1999,(12)1~3
料。这种材料具有类似单壁碳纳米管的物理性能,同
[6]ACDillon,KMJones.,eta1.Nature,1997,386:377~379
时在某些方面又优于碳纳米管,如:材料中整合了吸[7]朱宏伟,李雪松,等.中国科学(E辑)2002,32(2):152~157氢金属但是不会象独立的吸氢金属那样过于强烈地
[8]Hjie
Ci.,eta1.AippliedSrufaceScience,2003,205:39—43
[9]PChen,xWu,J
Lin.et
a1..Science,1999,285:91—93
束缚住氢,使其难以脱附;其中的有机成分可有效改[10]RalphTYang.Carbon,2000,38:623—626
善材料与氢的相互作用;材料中开放的有序管道可以
[11]ADLucking,RTYang.AppLCat.A,2004,265(2):259—268使氢气快速高效地进入材料内部空间,可显著改善材
[12]RenjuZaeharia.,eta1.ChemicalPhysicsLetters,2005,412:369—
料的吸放氢动力学性能。经过测试,这种材料的储氢375
体积密度达到了0.0147
[13]RMa,YBando.,eta1.J.Am.Chem.Soc.,2002,124:7672~g
H2/cm3,相对于前面提到的
7673
MOF一5(储氢体积密度是0.009
9
gH2/cm3)提高了近
[14]CTang,YBando,X
Ding
et
a1.J.Am.Chem.Sne.2002,124:
50%。Zhao等【24J合成了具有许多小的通道的Ni基
14550~14551
的MOFs材料,研究了孔的空间阻碍对材料的储氢性[15]J
ChenSL
Li.,etal.J.Am.Chem.SCc.,2003,125:5284—5285
能的影响。他们发现在吸放氢的过程中,该材料表现
[16]JChen,NKuriyama.,eta1.J.Am.Chem.Soc,2001,123:11813~
“814
出了非常特殊的滞后效应,氢气主要吸附在孔容在[17]JChen,SLLi.,eta1.J.AlloysCompd.,2003,413:356~3570.149和0.181cm3/g的d,:fL中。这种小孔只允许氢
[18]MGNijkamp,JERaaymakers.,eta1.ApplPhysA,2001,72:619
气通过,使氢气在较高的压力下被吸附而在较低的压
—623
力下脱附,从而起到氢分子窗口的作用。
[19]JWeitkamp,MFritzandSEros.IhtJHydrogenEnergy,1995,20:
967—970
日垦望
[20]MEddaoudi,JKim.,eta1.Science,2002,295:469~472[21]N
L
Rosi,JEekert.,eta1.Science,2003,300:1127~1129
多孔吸附储氢材料的研究有着深远的意义。未[22]0Hubner,AGloess.,eta1.J.Phys..A,2004,108:3019~3023来的研究工作应致力于以下几个方面:①多孔材料储[23]PanLong,MiehelleBSander.,eta1.J.AmChem.Soc.2004,126:
氢机理的探索,人们已经合成出了许多非常具有储氢1308—1309
潜力的多孔储氢材料,但对各类材料的具体吸放氢机
[24]XueboZhao,BoXiao.,eta1.Science,2004,306:1012—1015
万方数据
—61—