材料論文-儲氫材料研究進(jìn)展(編輯修改稿)
2025-07-09 17:57 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 是一個強(qiáng)吸熱、高度可逆的反應(yīng)，高溫和低壓有利于反應(yīng)的進(jìn)行，因此，尋找合適的脫氫催化劑是有機(jī)液體氫化物儲氫技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。目前迫切需要開發(fā)出低溫高效、長壽命脫氫催化劑。通常使用的脫氫催化劑為負(fù)載型金屬催化劑，活性組分為 Pt、 Pd、 Rh、 Ni、 Co 等，載體為 Al2O SiO活性炭等 [9]。 Pt 基催化劑在脫氫反應(yīng)過程中得到廣泛應(yīng)用 [12]，在 Pt/Al2O3 的催化作用下，脫氫反應(yīng)選擇性很高，接近 100%。但從經(jīng)濟(jì)角 度考慮，應(yīng)減少 Pt貴金屬的使用量。催化劑中第二組分如 Ni、 Mo、 W、 Re、 Rh、 Pd、 Ir、 Sn 等的添加，可以提高催化脫氫活性并減少貴金屬的使用量。 PtSn/γ Al2O3 是目前采用較多的脫氫催化劑， Sn 的加入可以抑制催化劑結(jié)焦失活，提高催化劑穩(wěn)定性，并抑制氫解破壞作用，但是 Sn 的加入也使 Pt/Al2O3 的催化活性尤 其是初始活性降低 [13]。 Kariya 等 [14]研究了 Pt 催化劑中添加另一種金屬組分（ Mo、 W、Re、 Rh、 Pd、 Ir、 Sn）后形成的雙金屬催化劑。研究發(fā)現(xiàn)雙金屬催化劑可以加快 脫氫速率，其原因可能是第二金屬組分使得 C— H 鍵斷裂更加容易，增強(qiáng)了芳香族產(chǎn)物的脫附能力，使氫氣快速離開反應(yīng)體系，推動化學(xué)平衡向脫氫方向移動。此外，研究還發(fā)現(xiàn)將 Pt/AC 和 Pd/AC 催化劑混合后用于脫氫反應(yīng)，催化活性比單獨(dú)使用 Pt/AC 或 Pd/AC 催化劑更好，其原因可能是氫在 Pt 和 Pd 催化劑上的溢出 遷移 再結(jié)合過程的協(xié)同作用。 ElNabarawy[15]研究發(fā)現(xiàn)脫氫催化劑金屬組分的分散度（表面金屬原子和總金屬原子之比）是影響其低溫脫氫活性的主要因素，金屬組分分散度越高，催化劑反應(yīng)活性越強(qiáng)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 300℃時納米脫氫催化劑對 MCH 的脫氫轉(zhuǎn)化率比 PtSnK/Al2O3 提高了近 30%。因此，開發(fā)納米級脫氫催化劑，提高活性組分的分散度，可望獲得低溫脫氫性能優(yōu)異的催化劑。 有機(jī)液體儲氫材料由于其較高的儲氫容量和便于運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)備受關(guān)注，是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ幕瘜W(xué)儲氫材料。目前該技術(shù)的主要問題是如何提高過程的脫氫效率、開發(fā)低溫高效脫氫催化劑、選擇合適的反應(yīng)模式、優(yōu)化反應(yīng)條件等。 3 碳納米 管 納米材料是指一類粒度在 1～ 100nm 之間的超細(xì)材料，是介于單個原子、分子與宏觀物體之間的原子集合體 ，是一種典型的介觀體系。 碳納米管是由日本筑波 NEC實(shí)驗(yàn)室的飯島于1991年首次發(fā)現(xiàn)的 ,它是繼 C60之后碳的家族中出現(xiàn)的又一個新成員 [16]。 1997年碳 納米管開始用于儲氫 [17]。 納米管的結(jié)構(gòu) 從微觀結(jié)構(gòu)上來看，碳納米管是由 1層或多層同軸中空管狀石墨烯構(gòu)成，可以簡單地分為單壁碳納米管 (SWNT)、多壁碳納米管 (MWNT)以及由單壁碳納米管束形成的復(fù)合管，管直徑通常為納米級，長度在微米到毫米級 。 [18] 納米管的儲氫機(jī)理 氫氣 氣在碳納米管中的吸附儲存機(jī)理比較復(fù)雜， 盡管碳納米管儲氫研究的結(jié)果存在較大的差異 ,但學(xué)者們通常都認(rèn)為碳納米管儲氫是吸附作用的結(jié)果。然而 ,對 碳 納米管 儲氫行為的本質(zhì)究竟是化學(xué)吸附還是物理吸附 , 還是兩種吸附共存 ,還存在爭議 [19]。 一種觀點(diǎn)認(rèn)為 ,碳 納米管 儲氫過程中只發(fā)生物理吸附 ,氫分子與碳分子間僅以范德華力產(chǎn)生相互作用 ,物理吸附具有吸附作用比較小 ,吸附熱較低 ,可以產(chǎn)生多層吸附等特點(diǎn) ,在模擬計算時通常采用 Monte Carlo方法得到儲氫吸附等溫線 ,來分析材料的儲氫特性 。 [20] 另一種觀點(diǎn)則從化學(xué)反應(yīng)的角度研究 碳 納米管 的儲氫過程 , 考慮吸附過程中分子 的電子態(tài)改變和量子效應(yīng) , 并考察 碳 納米管 的結(jié)構(gòu)因素對發(fā)生化學(xué)吸附的影響?；瘜W(xué)吸附具有吸附作用強(qiáng) ,吸附熱大 ,一般只能產(chǎn)生單層吸附 ,同時吸附和解析的速度較慢等特點(diǎn) ,在模擬時通常運(yùn)用密度泛函理論 [21]和分子軌道理論計算氫在 碳 納米管 中的平衡分布。 研究進(jìn)展 碳納米管吸附儲氫過程的理論研究 為 2種主要方法 [22]。 氫在碳納米管中的吸附為單分子層吸附，飽和吸附量的對數(shù)值隨溫度升高線性下降；在 77K時，碳納米管的吸氫是物理吸附，吸附量為 2％。 Liu等 [23]的研究結(jié)果表明，單壁碳納米管在 298K、 10～ 12MPa的條件下，儲氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá) 4． 2％。 Ye 等 [24]測得在 80K、 12MPa的條件下純度為 98％的單壁碳納米管的儲氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá) 8． 25％。 Heben等 [25]的研究發(fā)現(xiàn)，單壁碳納米管的吸附氫量為 6． 5％(質(zhì)量分?jǐn)?shù) )，但 Haluska
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