杂原子修饰增强金属/竹基活性炭纳米储氢材料氢溢流效应的研究

The modification of carbon materials for improving the hydrogen storage performance are the priority research areas for the applications of hydrogen energy. In this project,the bamboo was used as starting material,the bamboo-based super activated carbons are prepared by KOH chemical activation and doped with heteroatom of boron (B-) and nitrogen (N-). Then the incipient wetness method was used for metal Pd doping. So the heteroatom doped Pd/bamboo-based activted carbon nanocomposites with spillover effect were prepared with these two steps above. The process and methods of heteroatom doping and metal doping are studied and optimized. The influence of heteroatom doping on the structural chracterizations, surface chemistry, metal particle size, metal dispersion,hydrogen heat of adsorption and also the hydrogen storage performance are studied. The key point is to understand the mechanim and influential foctors of heteroatom doping for improving the spillover effect and increasing the hydrogen storage capacities. The interdependence of heteroatom doing, characterizations of Pd/bamboo-based activated carbon nanocomposites,spillover effect and hydrogen storage performance are builded.The results of this project have important significance to the modification of carbon materials for hydrogen storage and also to understand the mechanim and influential foctors of the improving of heteroatom doping to metal/carbon nanocomposites.

对炭材料进行改性，提高其储氢性能一直是氢能研究的重点。本项目以生物质竹材为原料，通过KOH活化制备高比表面积竹基活性炭并进行硼（B-）、氮（N-）杂原子修饰，继而通过初湿浸渍法进行金属Pd掺杂，两步法制备出具有氢溢流效应的杂原子修饰Pd/竹基活性炭纳米复合材料。研究优化杂原子修饰和金属掺杂的方法和工艺参数；分析B-、N-杂原子修饰对金属/竹基活性炭纳米复合材料的结构化学特性、金属粒径和分散性、氢气吸附热、氢溢流效应和储氢性能的影响；重点揭示杂原子修饰增强金属/竹基活性炭纳米复合材料氢溢流效应，提高储氢性能的机理和影响因素；建立杂原子修饰、复合材料结构化学特性、氢溢流效应和储氢性能之间的关联模型。本项目成果对炭储氢材料的改性研究，了解杂原子修饰增强金属/炭复合材料氢溢流效应的机理和影响因素都具有重要意义。

开发性能优越、安全性高的储氢材料一直是氢能源研究的重点。尽管氢能的应用到目前为止还不是非常广泛，但是其在各种领域具有极好的应用前景。美国能源部对于氢能的应用提出了两点最主要的要求，分别是可逆性、重量比达到6wt.%。传统的储氢方法包括液压冷却和高压储存都受到了其自身缺点的限制。现在主要的储氢材料主要有金属氢化物、纳米碳材料以及金属-有机物骨架材料等等。其中纳米碳材料中高比表面积活性炭由于其具有可逆性、高的比表面积、大的微孔孔容等成为储氢材料研究的热点。本项目首先以生物质竹材为原料，通过KOH活化制备高比表面积竹基活性炭病采用响应面进行优化设计。进而对其进行硼（B-）、氮（N-）杂原子修饰并通过初湿浸渍法进行金属Pt和Fe掺杂，制备出杂原子和金属同时修饰的竹基活性炭纳米复合材料。本项目制备的高比表面积竹基活性炭在77K条件下，在低压1bar条件下可以达到2.8 wt%，在高压4MPa条件下可以得到6.8wt.%。杂原子和金属掺杂改性对于高压储氢影响不大，但是对于低压储氢，本项目采用的水热掺杂方法可以提高13%的储氢量，进而通过金属Pt掺杂，其储氢量可以进一步提高10%。本课题通过研究具有杂原子和金属修饰竹基活性炭纳米复合材料的合成方法、结构化学特性以及储氢性能，降低了炭材料储氢成本，提高了储氢性能，为炭储氢材料的研究提供了理论与技术支持。