[发明专利]一种纳米碳纤维储氢材料的制备方法

说明书

本发明涉及储氢材料，特别提供了一种具有超级储氢能力的纳米碳纤维材料的制备技术。

今天，在世界范围内普遍存在矿物能源短缺、环境污染严重等问题，人们迫切需求洁净的新能源。而氢能正以其独有的优势和丰富的资源引起人们广泛的兴趣。世界各国都在氢能的研究和开发上投入了大量的人力、物力。其中，氢的利用主要包括氢的生产、储存和运输、应用三个方面。而氢的储存是关键，储氢材料正是在这样的背景下产生的，并得以迅猛发展。

1886年美国现代化学奠基人Thamas Graham发现金属钯能够大量吸氢。一个世纪以后，直到1968年美国Brookhaven国立研究所率先在储氢合金的研究上获得成功，发现了Mg₂Ni合金也具有储氢性能。1970年荷兰菲利普研究所发现了LaNi₅的储氢性能。与此同时，美国的Brookhaven国立研究所又发现了FeTi储氢合金，从而揭开了储氢合金研究的新篇章。但是金属合金材料储氢量普遍很低，以研究较多、技术相对成熟的LaNi₅为例，其饱和储氢量为1.4wt％。加之金属合金材料具有比重大、循环吸氢过程中易出现技晶和晶粒细化等缺点，无法满足汽车工业上要求单次充气行程远、循环寿命长和成本低的基本要求。Dillon等人对氢能汽车候选储氧系统储氢能力进行了系统比较，认为一台可行驶500km的汽车需耗氢3.1Kg，这要求系统储氢能力必须达到6.5wt％。虽然液态氢和高压氢可达到此指标，但氢液化需消耗25～45％的氢能，压缩氢气到20MPa需消耗9％的氢能而且很危险，其它体系如金属储氢远远不能满足实用要求。他们发现单壁纳米碳管可储氢约10wt％，接近此目标，但大量制备单壁纳米碳管的方法还有待发展。因此，有必要重新寻找一种储氢量大而易制备的新型储氢材料。美国东北大学用基体法，利用不同的催化剂制备出直径在50nm的三种结构的纳米碳纤维，如：石墨片层平行于纤维轴向的tubular型纳米碳纤维，其储氢量为11.26wt％；石墨片层与纤维轴向里一定角度的herringbone型的纳米碳纤维，其储氢量达到55wt％；石墨片层垂直于纤维轴向的platelet型纳米碳纤维，其储氢量达到45wt％。但迄今为止未能有其它研究小组重复该结果。

本发明的目的在于提供一种纳米碳纤维储氢材料的制备技术，使用该方法可以制备出大量储氢量大、性能稳定的储氢材料，且该方法简便易行，适合工业化生产。

本发明提供了一种纳米碳纤维储氢材料的制备技术，制备出的纳米碳纤维直径在5～100nm，以苯或CH₄或C₂H₂为碳源，以二茂铁或Ni(Co)₄为催化剂，以氢或氦或氮气为载气，其特征在于：以含硫化合物如噻吩或H₂S为生长促进剂，并且控制碳源与载气的摩尔比在0.08～0.18，碳与硫摩尔比为700～1000∶1，催化剂与碳源的摩尔比为0.008～0.015；将含硫化合物碳氢化合物与催化剂在气态下充分混合，被载气匀速带入反应区，在反应区中保留0.5～0.075S，在1373K～1473K下生长纳米碳纤维。

本发明中含硫化合物为噻吩，碳源为苯时，当噻吩溶于苯溶液中，噻吩重量浓度0.05～1.0％，当含硫化合物为H₂S时，H₂S进入反应区的量为0.5～1ml/min。

本发明气相生长纳米碳纤维表面具有分子级细孔，内部具有直径大约10nm的中空管，比表面积大，而且可以合成石墨层面垂直于纤维轴向或与轴向成一定角度的绯鱼骨状特殊结构的纳米碳纤维，其层面间距为3.37A，远远大于氢分子直径(2.89A)，因此，大量氢气可以在VGCNF中凝聚，从而具有超级储氢能力。实验表明100nm左右碳纤维的储氢量可达到10～13wt％。

下面通过实施例详述本发明。

附图1为纳米碳纤维设备示意图。

附图2为纳米碳纤维的储氢装置设备示意图。

附图3为纳米碳纤维的宏观照片。

附图4为纳米碳纤维的透射电子显微镜照片。

附图5为纳米碳纤维的高分辨照片。

实施例1

装置如附图1。

碳苯流量40ml/min，噻吩浓度为1％，载气H₂总流量为600ml/min，催化剂为二茂铁，重量为0.7g。反应区先以25℃/min升至1100℃后，再以15℃/min，升至1200℃，恒温45min。