储氢材料制造技术

本发明专利技术涉及一种碳材料，所述碳材料具有3D结构并且由氧化石墨烯和碳纳米管制成，其特征在于，所述3D结构在于碳纳米管以一些团聚形式位于氧化石墨烯层之间从而扩展氧化石墨烯层之间的间隔。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】储氢材料
本专利技术涉及储氢材料(氢储存材料，hydrogenstoragematerial)，并且更特别地涉及能够增强氢储存的3D碳结构。
技术介绍
氢循环由三个部分组成：由水产生氢、氢储存和氢燃烧(例如燃料电池)。通常，氢储存可以基于六种不同的方法和材料：压缩气体，液态氢，物理吸附的氢，金属氢化物，复合氢化物，以及最后的化学氢化物。尽管在过去20年中在储氢材料的开发方面取得了巨大的进步，但是目前的极限在大约20质量％和2000kg·m-3。这将存储的能量限制在烃的能量密度的大约一半。在以上提及的方法之中，物理吸附的氢是特别优选的，因为它是可逆的，并且它理论上允许在低密度材料(如碳材料)的表面上吸收大量的氢。范德华相互作用的相互作用能为大约5kJ·mol-1(对于H2)，并且因此，仅在低温(100K)下才会发现大量的吸附分子。根据第一近似法，氢在基材表面处形成吸附分子的单层，但是当升高压力时，Brunauer,EmmettundTelleri已经描述了用于多个不完整层的吸附的更精确模型。根据下式，所吸附的氢分子的量(mH2)与吸附材料的比表面积(Aads/mads)成正比：mH2/mads＝Aads/mads·(MH2/ρH2)1/3·ρH2。用于物理吸附的氢储存的碳材料是特别优选的，并且通常是活性碳、碳纳米管以及石墨烯或氧化石墨烯。活性碳由于其优异的吸附能力而被积极地研究作为吸附剂。特别地，与其他碳材料相比，它可以大量生产，并且相对廉价(0.6-5.6CHF/kg)。活性炭在77K下的储氢容量为2至5质量％，并且在室温和升高的压力下为大约1.2质量％。在另一方面，在发现具有大的比表面积和弯曲的表面的碳纳米管之后，对氢与这种新型纳米材料的相互作用进行了深入研究。在包括金属有机框架(MOF)的所有类型的纳米材料上，都证实了吸附的氢量与比表面积的线性相关性。然而，尽管进行了增加范德华相互作用能的所有尝试，但是未发现具有显著增大的等量吸附焓的材料。此外，纳米多孔材料(如MOF)展现出允许将H2与D2分子分离的同位素效应。同位素分离对于制备同位素纯材料(例如从由水电解产生的氢中分离氘)在技术上是令人感兴趣的。最后，对于氧化石墨烯，它是通过改良的Hummer方法由石墨合成的。石墨烯通过酸溶液处理被氧化并且展现出诸如环氧基、羟基和羧基的官能团。氢通过与这些官能团的相互作用而储存在氧化石墨烯的层之间。可以使用简单的热处理以控制这些层之间的水分子和氧基团的量来增加膜型多层氧化石墨烯的储氢容量。储氢容量与活性碳类似。总的来说，在室温和77K下研究了具有优化结构的不同碳质材料中的氢吸附。活性碳、无定形碳纳米管、单壁碳纳米管(SWCNT)和多孔碳样品均遵循相同的吸附模型。在77K下，可以使用Langmuir模型来解释所有样品的吸附等温线，而在室温下储存容量是压力的线性函数。碳材料的表面积和孔径通过在77K下的N2吸附来表征，并且与它们的储氢容量相关。与碳材料的性质无关，对于所有样品均获得了在氢吸收与比表面积(SSA)之间的线性关系。SSA为2560m2/g的最佳材料在77K下显示出4.5重量％的储存容量ii。因此，碳材料中的氢存储具有的主要缺点是相互作用能低(5kJ·mol-1H2)，并且因此仅在低温(77K)下才会吸附大量(>1质量％)的氢。因此，平衡压力非常低，远低于大气压力。这使得这样的储氢材料的应用是不可能的。因此，对于新型的储氢材料存在需要。已经进行了若干研究，例如，文献US6290753B1涉及在碳材料中的氢存储，并且更特别地涉及用于将氢储存在含有椎体形式(锥角为60°的倍数)的显微结构的碳材料中的方法。在该方法中，将碳材料引入反应容器中，将反应容器抽空，同时将碳材料保持在295-800K的温度下，然后将纯氢气引入反应容器中，将碳材料暴露于在300-7600托(0.4-10巴)范围内的氢气压力，使得氢气被吸收在碳材料中。此后，将反应容器与碳材料在固定的氢气压力下留置在环境温度下。为了使用，在环境温度下或通过在反应容器中加热碳材料，氢以气体形式从碳材料中释放。在用于精制这种储氢用碳材料的方法中，通过使用用于调节显微结构的锥角分布的催化剂，在反应室中生产碳材料。为了获得积极结果，此专利技术将氢压力从300托提高到7600托。证实了在未进一步限定的温度下，在活性炭上的氢吸附可能高达5质量％。氢解吸在150-200K下进行，而且并未描述解吸量。第二个文献US20150125694A1涉及用于氢的可逆储存的基于石墨烯的纳米复合材料。在该专利技术中公开了基于多晶或单晶石墨烯的单层片材的用于氢的可逆储存的纳米复合材料，该单层片材具有多晶或单晶石墨烯的圆柱形螺旋卷(辊，roll)的形式，其恒定间隔优选在0.2至2nm的范围内。多晶石墨烯的螺旋卷具有最小直径为50nm的晶粒。在该专利技术中，示出了在5Mpa的氢压力下石墨烯卷的氢吸附量为6至7质量％。然而，没有描述氢吸附温度和解吸过程。另一个文献WO2011084994A1涉及用于氢储存和吸附其他轻气体的碳分子筛。该专利申请示出了用于储存氢的碳分子筛组合物和用于形成碳分子筛材料的方法。另外，提供了使用碳分子筛组合物来储存氢的方法以及从其他气体的混合物中分离诸如氢或氦的气体的方法。该专利技术证实了随着氢压力从0.01巴增加到80巴，1.5至3.5质量％的氢吸附取决于孔径，但是没有描述氢吸附温度和解吸过程。最后一个文献US20050118091A1示出了利用碳纳米管材料的氢储存，其中用于氢储存的材料包括单壁碳纳米管(SWCNT)，其中组件的单壁碳纳米管的大部分直径在0.4至1.0纳米(nm)的范围内，并且平均长度小于或等于1000nm，或者组件的单壁碳纳米管的直径在0.4至1.0纳米(nm)的范围内，并且材料的氢吸附的热(-ΔH)在4kcal·mol-1H2至8kcal/molH2(16-32kJ·mol-1H2)的范围内。该专利技术证实了在氢压力从0atm增加至75atmpsi的情况下的碳纳米管的氢吸附/解吸量。氢吸附的量为7.5质量％，并且在293K下解吸量为6质量％。如所解释的，在常规碳表面上的氢吸附的主要问题之一在于范德华相互作用，其主要缺点是相互作用能低(5kJ·mol-1H2)，并且因此仅在低温(77K)下才会吸附大量(>1质量％)的氢。因此，平衡压力非常低，远低于大气压力。这使得这样的储氢材料的应用是不可能的。在这方面，本专利技术的一个主要目的是解决以上提及的问题，并且更特别地是提供一种新的储氢材料，其吸收大于5质量％的氢并且在高达350K下解吸氢。本专利技术的另一个目的是提供一种新的储氢材料，其中与其他碳材料相比，氢和3D碳材料之间的相互作用显著更强。本专利技术的另一个目的是提供一种新的储氢材料，其中与材料的比表面积相比，氢容量非常高。这使得该新的3D碳材料用于氢储存是非常令人关注的。
技术实现思路
通过本专利技术解决了上述问题。本专利技术的第一方面是一种来自氧化石墨烯和碳纳米管的碳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳材料，所述碳材料具有3D结构并且由氧化石墨烯和碳纳米管制成，其特征在于，所述3D结构在于所述碳纳米管以一些团聚形式位于氧化石墨烯层之间从而扩展所述氧化石墨烯层之间的间隔。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180112 EP 18151472.01.一种碳材料，所述碳材料具有3D结构并且由氧化石墨烯和碳纳米管制成，其特征在于，所述3D结构在于所述碳纳米管以一些团聚形式位于氧化石墨烯层之间从而扩展所述氧化石墨烯层之间的间隔。


2.根据权利要求1所述的碳材料，其特征在于，所述碳纳米管是多壁碳纳米管。


3.一种储氢材料，所述储氢材料包含根据权利要求1或2所述的碳材料。


4.根据权利要求3所述的储氢材料，其特征在于，所述储氢材料的储氢容量为4.5质量％以上。


5.根据权利要求3或4所述的储氢材料，其特征在于，所述储氢材料的储氢容量为5质量％以上。


6.根据权利要求5所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨义拿，安德烈亚斯·祖特尔，
申请(专利权)人：洛桑联邦理工学院，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH