[发明专利]基于碳的泡沫纳米复合储氢材料

说明书

背景技术

众所周知，由可再生能源产生的氢燃料是接续化石燃料使用的期望选 择。氢动力燃料电池迅速发展，其比内燃机更有效，并且仅排放出水。不幸 的是，适用于汽车或其它小规模工业或家庭应用的储氢系统仍未出现。固态 氢材料如金属氢化物或化学氢化物是为解决这类问题的某些最有潜力的材 料。不幸的是，这些材料存在它们自身的问题，包括可逆性差、不可接受的 反应动力学和热导率不足。对已知氢化物的回顾表明，具有高氢含量的材料 在热力学难于实现的温度和/或压力下反应，而具有合理的再氢化/脱氢反应 的那些仅含少量的氢。已经将基于氢化物的储氢材料与例如膨胀石墨、多孔 铝泡沫和多孔硅材料混合。尽管并不总是清楚使得这些材料具有优点的确切 机理，但结果已经清楚地展现了对氢化或脱氢反应的反应动力学或热力学的 改进。

尽管有上述储氢材料的优点，对改进的储氢材料和生产这些材料方法的 需求仍然存在。本发明设法实现这些需求，并提供更进一步的相关优点。

发明内容

本发明提供用于储氢的组合物和方法。

在一个方面，本发明提供一种包含基于碳的泡沫和固态储氢材料的复合 材料。在一个实施方式中，所述基于碳的泡沫为碳冷凝胶(carbon cryogel)。 在另一个实施方式中，所述基于碳的泡沫为碳气凝胶。在再一个实施方式中， 所述基于碳的泡沫为碳干凝胶。所述固态储氢材料为储氢材料。该固态储氢 材料可以是金属氢化物或化学氢化物。在一个实施方式中，所述金属氢化物 为氢化镁。在一个实施方式中，所述化学氢化物为氨硼烷(ammonia borane)。 在一个实施方式中，所述复合材料进一步包括有效降低由所述复合材料释放 氢所需的温度的催化剂，以增加在特定温度下由所述复合材料释放氢的量， 或者，以增加或控制由所述复合材料释放氢的速率。在一个实施方式中，所 述复合材料进一步包括已改性以包括硫基团的表面。所述基于碳的泡沫具有 约20m²/g-约3000m²/g的表面积。

在另一方面，提供一种生产碳冷凝胶的方法。在一个实施方式中，所述 方法包括：通过混合催化剂和至少两种能够在水中形成有机溶胶-凝胶的组 分制备溶胶；通过在足以提供凝胶的时间和温度下加热使该溶胶进行胶凝； 干燥所述凝胶以提供聚合物泡沫；热解所述聚合物泡沫以提供基于碳的泡 沫；和使所述基于碳的泡沫与固态储氢材料以使得该固态储氢材料渗透基于 碳的泡沫的形式接触，以提供基于碳的泡沫复合材料。在一个实施方式中， 所述能够形成溶胶-凝胶的组分包括间苯二酚和甲醛。在一个实施方式中， 间苯二酚与催化剂的摩尔比为约10-约2000。在一个实施方式中，使所述溶 胶进行胶凝包括在足以将溶胶转化为交联凝胶的温度和时间下加热。在一个 实施方式中，使所述溶胶进行胶凝包括在约90℃下加热约1-约7天。在所 述方法中，干燥所述凝胶包括冻干、超临界干燥、或蒸发干燥该凝胶。在一 个实施方式中，热解所述聚合物泡沫包括在足以提供基于碳的泡沫的温度和 时间下加热。在一个实施方式中，热解所述聚合物泡沫包括在约1050℃下于 基本无氧环境中加热约4小时。在一个实施方式中，所述基于碳的泡沫进一 步在足以提供活化的基于碳的泡沫的温度和时间下加热。在一个实施方式 中，在足以提供活化的基于碳的泡沫的温度和时间下加热包括在约900℃于 二氧化碳下加热。

在一个实施方式中，用于渗透所述泡沫的固态储氢材料为液体形式。在 一个实施方式中，所述固态储氢材料为金属氢化物，并且，在另一个实施方 式中，所述固态储氢材料为化学氢化物。

在本发明的另一方面，提供一种储氢方法。在一个实施方式中，所述方 法包括使含有储氢材料的容器与氢接触，其中所述储氢材料包括本发明的基 于碳的泡沫复合材料。

在另一方面，本发明提供一种储气容器。所述储气容器包括本发明的基 于碳的复合材料和容器。

在本发明的另一方面，提供一种用固态储氢材料充填基于碳的泡沫复合 材料的方法。在一个实施方式中，所述方法包括使已经释放大量氢的基于碳 的泡沫复合材料与固态储氢材料接触。在一个实施方式中，所述固态储氢材 料在液体中。