[发明专利]储氢产品及用于制备其的方法

说明书

储氢产品包括一个或多个用硼物质官能化并用碱金属或碱土金属修饰的还原石墨烯层。结构的每一层还包括硼‑氧官能团，该官能团包含键合到硼原子的氧原子。储氢产品具有适合于氢分子物理吸附的成分，并且操作为在低压以及环境温度的操作条件下可逆地存储氢。

技术领域

本发明一般涉及储氢产品及其制备方法。

背景技术

氢是一种相对清洁高效的能源载体，与传统矿物燃料相比，它能够以更环保的方式生产、储存和消费。然而，存在的技术障碍对储存和运输应用中更广泛地采用氢存在挑战。例如，汽车燃料电池应用中，车辆尺寸和重量限制对储氢提出了挑战。一辆典型的汽车要行驶400公里需要消耗大约4公斤的氢。但在环境温度和压力下，4公斤的氢气将占据约45m³的体积。为了减少储存体积，人们开发了各种储氢技术。已知的储存方法包括压缩气体和低温液化。然而，这两种方法都有明显的缺点。压缩氢气储存罐通常设计为承受700巴左右的高压，这种罐往往制备成本高，体积相对较大；此外，损坏高压罐，例如在碰撞中，可能会造成灾难性后果。在低温液化储存氢气的液氢储罐中，氢气必须冷却到-252℃，在此过程中所消耗的能量可相当于氢气储存能量的1/3。此外，液氢储罐通常采用开放式系统设计，以避免系统内压力过大，但这种设计会导致以每天0.6-3％的蒸发损失。

针对传统储氢方法存在的问题，提出了室温和中压(例如，50巴以下)下的固态储氢技术作为有希望的解决方案。储存在固态储氢材料中的氢分子通过物理吸附或化学结合而被吸引，这使得即使在液态之外也能有非常密集的堆积。

碳纳米材料因其比表面积大、重量轻、弹性好等优点而被认为是一种潜在的储氢材料。碳材料吸附的氢与吸附剂的比表面积成正比，通常比表面积越大，储氢能力越大。石墨烯和类似材料，如还原氧化石墨烯，是碳纳米材料的一种类型，具有理论上的比表面积为2600平方米/克，因此对于储氢应用很有前景。与其他碳纳米材料相比，石墨烯的大部分原子为表面原子，这使得石墨烯成为良好的吸附材料。此外，石墨烯的原子结构是稳定的，能够承受强烈的机械变形和化学改性。它的sp2 C-C键也使得杂原子通过掺杂和修饰进入石墨烯结构成为可能。尽管石墨烯显示出储氢应用的前景，但原生态石墨烯只能在极低温度约77K(-196℃)下提供高储氢能力。保持如此低的温度需要大量的能量消耗，从而降低了能源效率。

为了在常温常压下储存氢，需要提高石墨烯与氢之间的亲和力。已经提出一些方法来实现石墨烯对氢的高亲和力，包括用金属催化剂修饰石墨烯。常用的金属催化剂包括例如钯、铂和钌的过渡金属。然而，这些金属催化剂价格昂贵，不能实现美国能源部(DOE)规定的储氢材料的容量目标。

因此，希望提供一种储氢材料和制备储氢材料的方法，从而提供一种解决现有技术中至少一些缺点的方案。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种储氢产品，其包括单层或多层结构，所述单层或多层结构包括用硼类物质官能化并用碱金属或碱土金属修饰的还原氧化石墨烯。所述结构的每一层还包括硼-氧官能团，该官能团包含键合到硼原子上的氧原子。结构的每一层可包括被硼原子官能化的碳原子的六方晶格。氧、硼、和碱或碱土金属的组合加入使得表面上惰性的还原氧化石墨烯能够储存氢。这种结构可包括孔隙足够大到使氢分子通过并进入到所述结构上的吸附位点的缺陷。所述孔的平均直径为5nm到20nm。该结构可以包括一至十层。所述层之间的距离可以为0.33nm至1.0nm。

碱金属或碱土金属可位于邻近硼原子的结合位点，或者位于邻近六方晶格空穴的结合位点，或者位于邻近碳-硼键的结合位点，或者位于邻近硼-氧官能团的结合位点。碱金属或碱土金属可选自锂、钠、钾、铷、铯、铍、镁、钙、锶和钡。

储氢材料的硼的原子浓度可为1at％-10at％，碱或碱土金属的原子浓度可为1at％-15at％，氧的原子浓度可为1at％-10at％。