活性炭用于高容量儲氫

　　為了尋求高效、高容量的儲氫系統對于推動氫作為可持續能源載體的發展至關重要。在各種儲氫材料中，活性炭因其高表面積、可調節的孔結構和良好的吸附性能而成為一種有前途的候選材料。本文回顧了活性炭儲氫研究的現狀，探討了合成方法、結構特征、吸附機制以及摻雜和功能化的影響。此外，還討論了基于活性炭的儲氫面臨的挑戰和未來前景。

　　氫氣因其高能量密度和對環境無害的燃燒產物-水，被視為潛在的未來能源載體。然而，氫經濟面臨的主要挑戰之一是開發高效安全的存儲系統。高壓氣瓶和低溫液氫罐等傳統方法面臨著巨大的技術和經濟挑戰。因此，人們對固態儲氫材料的興趣日益濃厚。

　　活性炭是一種經過加工的碳，具有小而低體積的孔隙，可增加可用于吸附的表面積，在儲氫應用方面已引起人們的關注。本文旨在全面回顧儲氫活性炭材料的進展，重點介紹其合成、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兩個過程：碳化和活化。

　　1、碳化：煤、木材、椰子殼或合成聚合物等有機前體在惰性氣體(通常為氮氣)中以400-800℃的溫度進行熱分解。此過程可去除非碳元素(例如氫、氧)，從而產生碳含量高的炭。

　　2、活化：碳化材料隨后經過物理或化學活化，形成多孔結構。物理活化涉及在高溫(800-1000℃)下使用蒸汽或二氧化碳等氧化氣體，而化學活化通常使用較低溫度(400-700℃)下的氫氧化鉀(KOH)或磷酸(H3PO4)等活化劑。活化方法和條件的選擇會顯著影響所得活性炭的孔徑分布和表面積。

　　結構特點

　　活性炭在儲氫方面的功效主要歸因于其高表面積和多孔結構。該材料的BET(Brunauer-Emmett-Teller)表面積通常為500至3000m²/g，孔徑從微孔(<2nm)到中孔(2-50nm)不等。可以通過選擇前體和活化條件來定制孔結構和表面化學，從而優化氫吸附能力。

　　氫吸附機理

　　活性炭中的氫儲存是通過物理吸附實現的，即氫分子通過范德華力附著在碳表面。吸附過程受溫度、壓力和活性炭表面特性等因素的影響。

　　影響氫氣吸附的因素

　　1、表面積和孔體積：表面積越大、孔體積越大，通常可增強氫吸附。微孔由于其表面積與體積之比高，對存儲容量貢獻很大。

　　2、孔徑分布：儲氫的最佳孔徑范圍為0.6-1.0納米，這在足夠的表面積和足夠的孔體積之間提供了平衡以吸收氫氣。

　　3、表面功能團：碳表面上雜原子(例如氧、氮)和功能團的存在可以通過創建額外的吸附位點和改變材料的電子特性來增強氫吸附。

　　金屬和雜原子摻雜

　　1、金屬摻雜：加入鈀(Pd)、鉑(Pt)或鎂(Mg)等金屬可以通過產生溢出效應來增強氫的吸收，其中氫在金屬表面解離并擴散到碳載體上。

　　2、雜原子摻雜：將氮、硼或硫等雜原子引入碳基質可以改變電子結構并增強氫吸附位點。

　　表面功能化

　　活性炭通過化學基團(例如-OH、-COOH)的功能化，可以提高氫分子與碳表面的結合能，從而增強氫的儲存。這種方法可以定制以在氫和碳框架之間產生特定的相互作用。

　　挑戰與未來前景

　　盡管活性炭在儲氫方面具有良好的應用前景，但仍存在一些挑戰：

　　儲氫容量：目前活性炭尚未達到實際應用所需的儲氫容量(例如，環境條件下儲氫量>5wt%)。研究工作主要集中在優化孔隙結構和表面化學以增強吸附能力。

　　可擴展性和成本：大規模低成本生產高性能活性炭仍然是一項重大挑戰。開發高效、可持續的合成方法對于商業可行性至關重要。

　　耐久性和穩定性：需要徹底研究活性炭材料在重復的氫吸附/解吸循環下的長期穩定性和耐久性。

　　未來發展方向

　　未來活性炭儲氫研究應重點關注以下方面：

　　1、先進的合成技術：探索模板、自組裝和化學氣相沉積等新型合成方法，以創建高度有序的多孔結構。

　　2、混合材料：開發將活性炭與其他儲氫材料(例如金屬有機骨架、石墨烯)結合在一起的復合材料，以增強存儲容量和性能。

　　3、理論和計算研究：采用先進的計算技術來模擬氫吸附機制并指導新活性炭材料的設計。

　　4、現實世界的應用：進行中試研究和現實世界的測試，以評估活性炭基儲氫系統的實際性能和經濟可行性。

　　用于高容量儲氫的活性炭具有高表面積、可調節的孔結構和良好的吸附性能，有望成為高容量儲氫材料。盡管仍存在挑戰，但正在進行的研究和開發工作有望充分發揮活性炭在儲氫應用中的潛力。通過解決當前的局限性并探索創新方法，活性炭可以在未來的氫經濟中發揮重要作用。

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