[发明专利]一种室温吸氢碳气凝胶材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种具有室温吸氢功能的碳气凝胶材料，包括碳气凝胶、金属催化剂和炔基有机物。本发明的碳气凝胶材料具有室温不可逆吸氢、吸氢容量高、可成型、可剪裁、厚度可调、使用方便等特点，可用于密闭容器中的吸氢垫层材料，能有效降低容器中氢及其同位素浓度，防止产生爆炸危险。

技术领域

本发明涉及吸氢领域，特别涉及一种室温吸氢碳气凝胶材料，用于室温下不可逆吸收密闭空间中的氢及其同位素，降低氢浓度。

背景技术

密闭体系中氢气(H₂)的产生和累积是不可避免的，其主要来源有：金属和聚合物中溶解的氢，H₂O、CO₂、CO等在催化剂表面反应产生的氢以及有机材料辐照老化降解释放的氢。这些氢气如果不及时去除会导致密闭体系中氢气压力过高，当其遇到氧气时可能会发生爆炸；另外，这些氢气也会恶化体系中的光学部件、电子线路，导致部件性能恶化、线路失灵或活性金属材料发生腐蚀。因此，需要严格控制密闭环境中的氢气含量。这对活性金属材料及其废料的长久贮存至关重要，其爆炸会释放出大量放射性污染物，对操作人员和环境造成威胁。

为了降低密闭环境中氢气的浓度，通常采用吸氢剂进行吸收。工业上常用的吸氢剂主要有两大类：金属氧化物和有机吸氢剂。目前研究较多的金属氧化物主要有二氧化锰、氧化钯、氧化铜、氧化镍等。例如，氧化铜粉末可作为吸气剂应用于高真空多层绝热低温容器中，当低温压力容器夹层真空度变差时，通过电加热方式使氧化铜粉末和真空夹层内的氢气发生化学反应，生成铜和水蒸汽，水蒸汽被真空夹层内的其他吸气剂吸附，可有效去除低温容器真空夹层内的氢气，使夹层重新回到高真空状态；虽然这种吸气剂具有成本低、使用寿命长等优点，但是，由于金属氧化物与氢气反应活化能较高，所以需要在高温下进行，不能实现室温吸附，且副产物为水，不适合含有金属氢化物或活性金属材料的密闭空间中使用，容易导致金属氢化物水解放出氢气或活性金属材料发生腐蚀。由炔基小分子和钯碳组成的有机吸氢剂能在室温、密闭环境下实现不可逆吸氢。例如，现有技术中存在具有三层复合结构的防氚橡胶手套，外层为阻氢性能较好的橡胶阻挡层，中间为分散有钯/碳催化剂和1,4-对苯炔基苯的橡胶氚气吸收层，第三层为与皮肤相容性较好的橡胶层。当氚气透过表层橡胶层进入中间层时，有机吸氢剂会与氚发生反应进而将氚固定在手套中间层中来达到防氚效果；然而，由于1,4-对苯炔基苯和钯/碳催化剂均为粉末，当加入橡胶中时，会导致二者发生分离，进而使得其实际吸氢(氚)效率仅为理论值的10％左右，这严重限制了其在工业中的广泛应用。为解决钯催化剂与炔基有机物发生分离而导致吸氢效率降低的问题，富炔高分子负载纳米钯催化剂复合吸氢材料应运而生。然而，由于干燥过程中，钯催化剂会发生团聚，使得氢与炔基的反应几率较低，进而测得的吸氢效率也很低。炔基接枝石墨烯负载纳米钯催化剂复合吸氢材料解决了炔基反应物与催化剂的空间接触率问题。但是，由于氧化石墨烯表面羧基、羟基等缺陷点有限，且炔基接枝与钯催化剂负载均需占据缺陷点，二者存在竞争反应，导致纳米金属催化剂负载量和炔基接枝量均较低，很难保证很高的吸氢量，同时，氧化石墨烯表面一旦负载了纳米金属催化剂或接枝了炔基有机物就会破坏氧化石墨烯之间的界面结合力，导致后续不能制备成具有任意形状的吸氢碳气凝胶复合材料，使得该体系不能成型和剪裁。

发明内容

本发明的目的是为解决密闭空间中氢浓度过高容易引起爆炸以及氢会导致活性金属材料发生腐蚀等问题，提供一种室温吸氢碳气凝胶材料及其制备方法。本发明所制备的吸氢碳气凝胶材料，具有室温不可逆吸氢、吸氢量高、可成型、可剪裁、质量轻、强度高、厚度可调、具有较好氢溢效应、使用方便等特点。

本发明的技术方案是：一种室温吸氢碳气凝胶材料，包括以下重量份的各原料组成：

碳气凝胶10～25份；

金属催化剂0.1～1份；

炔基有机物75～90份。