活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭用于高容量储氢

　　为了寻求高效、高容量的储氢系统对于推动氢作为可持续能源载体的发展至关重要。在各种储氢材料中，活性炭因其高表面积、可调节的孔结构和良好的吸附性能而成为一种有前途的候选材料。本文回顾了活性炭储氢研究的现状，探讨了合成方法、结构特征、吸附机制以及掺杂和功能化的影响。此外，还讨论了基于活性炭的储氢面临的挑战和未来前景。

　　氢气因其高能量密度和对环境无害的燃烧产物-水，被视为潜在的未来能源载体。然而，氢经济面临的主要挑战之一是开发高效安全的存储系统。高压气瓶和低温液氢罐等传统方法面临着巨大的技术和经济挑战。因此，人们对固态储氢材料的兴趣日益浓厚。

　　活性炭是一种经过加工的碳，具有小而低体积的孔隙，可增加可用于吸附的表面积，在储氢应用方面已引起人们的关注。本文旨在全面回顾储氢活性炭材料的进展，重点介绍其合成、特性和性能。

　　活性炭的合成及性能

　　合成方法

　　活性炭的合成主要包括两个过程：碳化和活化。

　　1、碳化：煤、木材、椰子壳或合成聚合物等有机前体在惰性气体(通常为氮气)中以400-800℃的温度进行热分解。此过程可去除非碳元素(例如氢、氧)，从而产生碳含量高的炭。

　　2、活化：碳化材料随后经过物理或化学活化，形成多孔结构。物理活化涉及在高温(800-1000℃)下使用蒸汽或二氧化碳等氧化气体，而化学活化通常使用较低温度(400-700℃)下的氢氧化钾(KOH)或磷酸(H3PO4)等活化剂。活化方法和条件的选择会显著影响所得活性炭的孔径分布和表面积。

　　结构特点

　　活性炭在储氢方面的功效主要归因于其高表面积和多孔结构。该材料的BET(Brunauer-Emmett-Teller)表面积通常为500至3000m²/g，孔径从微孔(<2nm)到中孔(2-50nm)不等。可以通过选择前体和活化条件来定制孔结构和表面化学，从而优化氢吸附能力。

　　氢吸附机理

　　活性炭中的氢储存是通过物理吸附实现的，即氢分子通过范德华力附着在碳表面。吸附过程受温度、压力和活性炭表面特性等因素的影响。

　　影响氢气吸附的因素

　　1、表面积和孔体积：表面积越大、孔体积越大，通常可增强氢吸附。微孔由于其表面积与体积之比高，对存储容量贡献很大。

　　2、孔径分布：储氢的最佳孔径范围为0.6-1.0纳米，这在足够的表面积和足够的孔体积之间提供了平衡以吸收氢气。

　　3、表面功能团：碳表面上杂原子(例如氧、氮)和功能团的存在可以通过创建额外的吸附位点和改变材料的电子特性来增强氢吸附。

　　金属和杂原子掺杂

　　1、金属掺杂：加入钯(Pd)、铂(Pt)或镁(Mg)等金属可以通过产生溢出效应来增强氢的吸收，其中氢在金属表面解离并扩散到碳载体上。

　　2、杂原子掺杂：将氮、硼或硫等杂原子引入碳基质可以改变电子结构并增强氢吸附位点。

　　表面功能化

　　活性炭通过化学基团(例如-OH、-COOH)的功能化，可以提高氢分子与碳表面的结合能，从而增强氢的储存。这种方法可以定制以在氢和碳框架之间产生特定的相互作用。

　　挑战与未来前景

　　尽管活性炭在储氢方面具有良好的应用前景，但仍存在一些挑战：

　　储氢容量：目前活性炭尚未达到实际应用所需的储氢容量(例如，环境条件下储氢量>5wt%)。研究工作主要集中在优化孔隙结构和表面化学以增强吸附能力。

　　可扩展性和成本：大规模低成本生产高性能活性炭仍然是一项重大挑战。开发高效、可持续的合成方法对于商业可行性至关重要。

　　耐久性和稳定性：需要彻底研究活性炭材料在重复的氢吸附/解吸循环下的长期稳定性和耐久性。

　　未来发展方向

　　未来活性炭储氢研究应重点关注以下方面：

　　1、先进的合成技术：探索模板、自组装和化学气相沉积等新型合成方法，以创建高度有序的多孔结构。

　　2、混合材料：开发将活性炭与其他储氢材料(例如金属有机骨架、石墨烯)结合在一起的复合材料，以增强存储容量和性能。

　　3、理论和计算研究：采用先进的计算技术来模拟氢吸附机制并指导新活性炭材料的设计。

　　4、现实世界的应用：进行中试研究和现实世界的测试，以评估活性炭基储氢系统的实际性能和经济可行性。

　　用于高容量储氢的活性炭具有高表面积、可调节的孔结构和良好的吸附性能，有望成为高容量储氢材料。尽管仍存在挑战，但正在进行的研究和开发工作有望充分发挥活性炭在储氢应用中的潜力。通过解决当前的局限性并探索创新方法，活性炭可以在未来的氢经济中发挥重要作用。

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