專利名稱：一種單壁納米碳管儲氫材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及儲氫材料，特別提供了一種單壁納米碳管儲氫材料的制備方法。
在過去的一個世紀(jì)里，人類對自然的認(rèn)識與開發(fā)利用達(dá)到了前所未有的高度，人類文明空前發(fā)展。但今天人們發(fā)現(xiàn)自己正面對著全新的課題環(huán)境污染日趨嚴(yán)重、能量資源日益匱乏。隨著傳統(tǒng)礦物能源儲量的銳減，尋找新的能源已勢在必行。氫資源儲量豐富，能量蘊(yùn)含值高，更具有燃燒后不污染環(huán)境的優(yōu)點，因而成為新型能源的當(dāng)然候選者。與煤炭、石油等傳統(tǒng)燃料不同，氫在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下是以氣體形式存在，這就使得氫的存儲即儲氫材料的開發(fā)成為利用氫能的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的儲氫材料主要有金屬鈀及一些合金材料，但這類儲氫材料的儲氫量較低(1～1.5wt％)，又存在比重大、循環(huán)吸氫過程中易出現(xiàn)枝晶和晶粒細(xì)化等缺點，因而難以滿足汽車工業(yè)上單次充氣行程遠(yuǎn)、循環(huán)壽命長和成本低廉的要求。計算表明，一臺燃料電池驅(qū)動的汽車行駛500公里需要3.1Kg的氫，要求系統(tǒng)的儲氫容量達(dá)到6.5wt％。合金儲氫材料遠(yuǎn)無法達(dá)到這一指標(biāo)，采用液氫又使大量的能量消耗在加壓液化環(huán)節(jié)上而得不償失。1997年，美國學(xué)者Dillon等人研究了電弧法制備的未經(jīng)提純處理的單壁納米碳管的儲氫性能，發(fā)現(xiàn)其儲氫容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于活性炭，按其中單壁納米碳管含量為0.1～0.2wt％計，純單壁納米碳管的儲氫能力預(yù)計為5～10wt％，但這一預(yù)測尚未在實驗中得到證實。
本發(fā)明的目的在于提供一種單壁納米碳管儲氫材料的制備方法，其制備的儲氫材料儲氫量高，且制備成本低廉，可以大量生產(chǎn)。
本發(fā)明提供了一種單壁納米碳管儲氫材料的制備方法，采用陰、陽極在壓力氣氛下電弧放電的方式，陽極為由石墨、催化劑混合物組成的消耗陽極，催化劑選自鐵、鈷、鎳、釔中的一種或多種，加入量為2.5～5.0at％，其特征在于(1)反應(yīng)氣氛為50～400乇氫氣；(2)陰極與陽極間成30～80°的角度；(3)構(gòu)成陽極的反應(yīng)物中加入0.5～1 at％的硫或固體硫化物作生長促進(jìn)劑；(4)所得產(chǎn)物用20～65％HNO3或10～37％HCl酸洗，即得納米碳管儲氫材料。
本發(fā)明中所述陽極可以為一石墨盤，其上鉆孔，孔內(nèi)填充石墨粉與催化劑生長促進(jìn)劑的混合物；或者陽極為由石墨粉、催化劑、含硫生長促進(jìn)劑混合物壓制成型的原料靶；另外，為了得到更高的儲氫性能，所得納米碳管儲氫材料在400～900℃抽真空2～4小時進(jìn)行熱處理。
傳統(tǒng)的金屬(如鈀)及合金(如LaNi5、Mg2Ti、FeTi等)儲氫材料是通過金屬元素與氫發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成金屬氫化物達(dá)到儲氫目的。其缺陷是儲氫容量普遍較低，另外在循環(huán)充放氫的過程中材料結(jié)構(gòu)容易遭到破壞，因而難以滿足實際需要。單壁納米碳管是一種全新的炭材料，它可以看作是單層石墨烯卷積的結(jié)果，直徑為幾個到幾十個埃，長約幾個微米，既能以單根形式存在，也可聚集成束。該材料比表面積大，內(nèi)部微孔隙多，直徑為2.89的氫分子完全可以填充到單壁納米碳管(d＝8～20)內(nèi)部；炭元素在儲氫過程中不易與氫發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)多次充放氫后材料的結(jié)構(gòu)也不發(fā)生改變。據(jù)此，可以認(rèn)為單壁納米碳管是一種很有前途的儲氫材料。
采用氫弧放電法大量制備出單壁納米碳管為儲氫實驗提供了前提和保障。實驗結(jié)果表明在室溫及100 atm下，該材料的儲氫量為3～5wt％。
單壁納米碳管具有特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比表面積大、內(nèi)部中空、直徑非常小等，因而具有量子尺寸效應(yīng)，具備大量儲氫的潛力。實驗結(jié)果證明了單壁納米碳管具有比傳統(tǒng)儲氫合金更高的儲氫容量，在室溫及100 atm的條件下其儲氫量為3～5％。在提高材料質(zhì)量及改善預(yù)處理方法的前提下，材料的儲氫能力仍有望進(jìn)一步提高，這對氫能的實際應(yīng)用有著深遠(yuǎn)意義。
下面結(jié)合附圖詳述本發(fā)明。
附

圖1為氫弧放電制備單壁納米碳管的裝置示意圖I。
附圖2為氫弧放電制備單壁納米碳管的裝置示意圖II。
附圖3為制備單壁納米碳管的掃描電鏡照片。
附圖4為制備單壁納米碳管的透射電鏡照片。
附圖5為單壁納米碳管儲氫裝置示意圖。
實施例1裝置如附圖1。
在陽極圓盤的五個孔中各填充反應(yīng)物2.0g，其中含有2.6at％Ni，0.7at％Fe，0.7at％Co，0.75at％FeS，其余成分為石墨粉。反應(yīng)器內(nèi)充入200乇氫氣，起弧電流為150A直流，兩電極間保持～2mm的距離，每個孔反應(yīng)時間3分鐘，之后更換反應(yīng)室內(nèi)氣體，旋轉(zhuǎn)陽極圓盤，蒸發(fā)下一個孔內(nèi)的反應(yīng)物?？偡磻?yīng)時間30分鐘，計獲得薄膜狀及網(wǎng)狀產(chǎn)物計940毫克。
實施例2裝置如附圖2。
將2.6at％Ni，0.7at％Fe，0.7at％Co，0.75at％FeS，和石墨粉的混合物充分混合均勻并壓制成型，制成反應(yīng)物圓盤作為陽極。反應(yīng)器內(nèi)充入200乇氫氣，起弧電流為150A直流，兩電極間保持～2mm的距離。每反應(yīng)3分鐘后，更換反應(yīng)室內(nèi)氣體，旋轉(zhuǎn)陽極圓盤，蒸發(fā)另一處的反應(yīng)物。總反應(yīng)時間30分鐘，計獲得薄膜狀及網(wǎng)狀產(chǎn)物980毫克。
實施例3裝置如附圖5。
取氫弧放電法制備的單壁納米碳管約600mg在37％的濃鹽酸中浸泡清洗48小時，再用去離子水沖洗至洗液成中性，放入烘箱中烘干備用。準(zhǔn)確稱量樣品重量，將其放進(jìn)附圖1中的樣品室，在油浴加熱至150℃的條件下抽真空5個小時。充氫至壓力達(dá)到100 atm左右，開始儲氫并觀察壓降情況。單壁納米碳管的儲氫量為4.02wt％。
實施例4裝置如附圖5。
取氫弧放電法制備的單壁納米碳管約600mg在37％的濃鹽酸中浸泡清洗48小時，再用去離子水沖洗至洗液成中性，放入烘箱中烘干；將烘干的樣品放入退火爐，在真空下于500℃保溫2小時后取出備用。準(zhǔn)確稱量樣品重量，將其放進(jìn)附圖1中的樣品室，在油浴加熱至150℃的條件下抽真空5個小時。充氫至壓力達(dá)到100 atm左右，開始儲氫并觀察壓降情況。單壁納米碳管的儲氫量為4.58wt％。
實施例5裝置如附圖5。
取氫弧放電法制備的單壁納米碳管約600mg放入退火爐，在真空下于400℃保溫2小時后取出備用。準(zhǔn)確稱量樣品重量，將其放進(jìn)附圖1中的樣品室，在油浴加熱至150℃的條件下抽真空5個小時。充氫至壓力達(dá)到100 atm左右，開始儲氫并觀察壓降情況。單壁納米碳管的儲氫量為4.24wt％。
權(quán)利要求
1.一種單壁納米碳管儲氫材料的制備方法，采用陰、陽極在壓力氣氛下電弧放電的方式，陽極為由石墨、催化劑混合物組成的消耗陽極，催化劑選自鐵、鈷、鎳、釔中的一種或多種，加入量為2.5～5.0 at％，其特征在于(1)反應(yīng)氣氛為50～400乇氫氣；(2)陰極與陽極間成30～80°的角度；(3)構(gòu)成陽極的反應(yīng)物中加入0.5～1 at％的硫或固體硫化物作生長促進(jìn)劑；(4)所得單壁納米碳管用20～65％HNO3或10～37％HCl酸洗，即得納米碳管儲氫材料。
2.按照權(quán)利要求1所述單壁納米碳管儲氫材料的制備方法，其特征在于所述陽極為一石墨盤，其上鉆孔，孔內(nèi)填充石墨粉與催化劑生長促進(jìn)劑的混合物。
3.按照權(quán)利要求1所述單壁納米碳管儲氫材料的制備方法，其特征在于所述陽極為由石墨粉、催化劑、含硫生長促進(jìn)劑混合物壓制成型的原料靶。
4.按照權(quán)利要求1所述單壁納米碳管儲氫材料的制備方法，其特征在于所得納米碳管儲氫材料在400～900℃抽真空2～4小時熱處理。
全文摘要
一種單壁納米碳管儲氫弧材料的制備方法,采用陰、陽極在壓力氣氛下電弧放電的方式,陽極為由石墨、催化劑混合物組成的消耗陽極,催化劑選自鐵、鈷、鎳、釔中的一種或多種,加入量為2.5～5.0at%,其特征在于:(1)反應(yīng)氣氛為50～400乇氫氣;(2)陰極與陽極間成30～80°的角度;(3)構(gòu)成陽極的反應(yīng)物中加入0.5～1at%的硫或固體硫化物作生長促進(jìn)劑;(4)所得單壁納米碳管用20～65%HNO
文檔編號C01B3/02GK1277935SQ9911302
公開日2000年12月27日 申請日期1999年6月16日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月16日
發(fā)明者成會明, 劉暢, 范月英, 劉敏, 叢洪濤, 蘇革 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所