[发明专利]一种聚合物碳材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚合物碳材料的制备方法，属于碳材料化学合成技术领域。

背景技术

随着石油资源的日渐匮乏和生态环境的不断恶化，寻找和发展新型能源为全世界所瞩目。氢能被公认为人类未来的理想能源，有如下几方面的原因:(1)氢燃烧释能后的产物是水，是清洁能源；(2)氢可通过太阳能、风能等自然能分解水而再生；是可再生能源；(3)氢能具有较高的热值，燃烧氢气可产生1.25×10⁶kJ/kg热量，相当于3kg汽油或4.5kg焦炭完全燃烧所产生的热量；(4)氢资源丰富，氢可以通过分解水制得。另外，在化工与炼油等领域副产大量氢气，尚未充分利用。因此，氢是一种高能量密度的绿色新能源，它在燃料电池及高能可充放电电池等方面展现了很好的应用前景。可以预见，未来世界将从以碳为基础的能源经济形态转变为以氢为基础的能源经济形态。

氢能是一种理想的二次能源。氢能开发和利用需要解决氢的制取、储存和利用3个问题，而氢的规模储运是现阶段氢能应用的瓶颈。氢的储存方法有高压气态储存、低温液态储存和固态储存等3种。固态储氢材料储氢是通过化学反应或物理吸附将氢气储存于固态材料中，其能量密度高且安全性好，被认为是最有发展前景的一种氢气储存方式。由轻元素构成的轻质高容量储氢材料，如硼氢化物、铝氢化物、氨基氢化物等，理论储氢容量均达到5%（质量分数）以上，这为固态储氢材料与技术的突破带来了希望。新型储氢材料未来研究的重点将集中于高储氢容量、近室温操作、可控吸/放氢、长寿命的轻金属基氢化物材料与体系。

1金属氢化物储氢材料

金属氢化物是氢和金属的化合物。氢原子进入金属价键结构形成氢化物。金属氢化物在较低的压力下具有较高的储氢能力，可达到100kg/m³以上，但由于金属密度很大，导致氢的质量百分含量很低，只有2%～7%。

2碳质储氢材料

在吸附储氢的材料中，碳质材料是最好的吸附剂，它对少数的气体杂质不敏感，且可反复使用。碳质储氢材料主要是高比表面积活性炭、石墨纳米纤维(GNF)和碳纳米管(CNT)。

2.1 超级活性炭吸附储氢

超级活性炭储氢始于20世纪70年代末，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。与其他储氢技术相比，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，是一种很具潜力的储氢方法。

2.2 碳纳米管/纳米碳纤维吸附储氢

从微观结构上来看，碳纳米管是由一层或多层同轴中空管状聚合物碳材料构成，可以简单地分为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管以及由单壁碳纳米管束形成的复合管，管直径通常为纳米级，长度在微米到毫米级。石墨纳米纤维是一种截面呈十字型，面积为0.3～5nm2，长度10～100μm之间的石墨材料，它的储氢能力取决于其纤维结构的独特排布。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，以及吸附质状态的变化，可分为物理吸附和化学吸附。1997年，Dillon等最早对单壁碳纳米管的储氢性能进行了研究。他们采用程序升温解吸法测定了未经纯化处理、含无定形炭和金属催化剂颗粒的单壁碳纳米管的吸附储氢量，根据样品中碳纳米管的纯度，计算出纯碳纳米管在常温下能储存5%～10%(质量分数)的氢气。进一步的研究表明，采用高温氧化的方法处理碳纳米管，使管末端开放，可以有效增加吸附量并提高吸附速率。

3 络合物储氢材料

络合物用来储氢起源于硼氢化络合物的高含氢量，日本的科研人员首先开发了氢化硼钠(NaBH₄)和氢化硼钾(KBH₄)等络合物储氢材料，它们通过加水分解反应可产生比其自身含氢量还多的氢气。后来有人研制了一种被称之为“Aranate”的新型储氢材料—氢化铝络合物(NaAlH₄)，这些络合物加热分解可放出总量高达7.4%(质量分数)的氢。

4.有机物储氢材料

有机液体氢化物储氢技术是20世纪80年代国外开发的一种新型储氢技术，其原理是借助不饱和液体有机物与氢的一对可逆反应，即加氢反应和脱氢反应实现的。烯烃、炔烃和芳烃等不饱和有机物均可作为储氢材料，其中苯、甲苯的脱氢过程可逆且储氢量大，是比较理想的有机储氢材料。

有机物储氢的特点是:(1)储氢量大，苯和甲苯的理论储氢质量分数分别为7.19%和6.18%;(2)便于储存和运输;(3)可多次循环使用;(4)加氢反应放出大量热可供利用。