碳基材料储氢原理及其应用毕业论文.docx

湖南工业大学本科毕业设计(论文)碳基材料储氢原理及其应用毕业论文目 录第1章 绪论11.1 能源短缺问题11.2 氢的储存问题2第2章 常见几种的碳基储氢材料基本性质和应用42.1 常见的储氢材料的分类42.2 储氢材料简述42.2.1活性储氢材料42.2.2碳纤维储氢材料42.2.3 碳纳米管材料52.2.4 石墨烯6第3章 碳基储氢材料的储氢原理及其储氢分析83.1 活性炭的储氢83.1.1活性炭的储氢原理83.1.2活性炭储氢性能的分析83.2 碳纳米纤维的储氢9 3.2.1碳纳米纤维的储氢原理9 3.2.2碳纳米纤维储氢性能的分析93.3 碳纳米管储氢10 3.3.1碳纳米管的储氢原理10 3.3.2碳纳米管储氢性能的分析113.4 石墨烯储氢113.4.1石墨烯的储氢原理11 3.4.2石墨烯储氢性能的分析12第4章 碳基材料储氢应用14结论16参考文献17致谢19III第1章 绪论工业革命的初期，燃料主要是煤炭，随着工业发展，世界又经历了2次石油危机。这也促使得世界的能源关系变得异常的紧张。氢能的出现对能源问题的解决起到了一定的作用，一方面氢能是全世界公认的清洁能源。不久前，我国和日本，美国和一些西欧国家共同制定了氢能的发展规划，而且我国在此领域取得了许多实质性的进展，有望成为氢能技术被广泛推广和引入实际应用的国家。另一方面我国现在所使用的传统能源：例如石油，天然气，煤等化石燃料都是属于不可再生的能源，而随着社会生产的发展，对能源的需要越来越大了，这两者之间的矛盾导致了我们迫切需要找到一种可以再生的而且储氢十分丰富的新能源，氢就是在此时登上了能源历史的舞台。在氢的开发和利用中，其中储氢无疑是一个难点，由于氢气本身是可燃气体运输本身就一定压力而且它的化学性质十分的活跃，非常容易和空气发生化学反应，所以储氢成了重中之重。碳基储氢材料作为一个新型的储氢材料不仅本身重量很轻，还具有高的比表面积，十分有利于储氢。所以很快的成为了现在世界上最好的储氢材料之一。 1.1能源短缺问题能源，它不仅关系到人民的日常生活，还可以影响国家的经济建设。能源的发明和使用，为人类的进化做出了非常重要的贡献，伴随着社会生产力的提高，人们所需的能源总量也在飞速增长，更加有效合理的使用能源和开发新的替代能源，成为了21世纪能源的新主题。人类目前所利用的主要能源是化石燃料，终有耗尽的一天。随着社会发展，我们对能源的需求越来越多了，能源问题就成为了关系人类生存发展的重要问题。而氢能的出现对能源问题的解决起到了一定的作用。氢作为元素周期表的榜首、它的原子序数为1，在所有气体中，氢气是重量最轻的气体，在常温下是气体，在超低温下可以变成液体。密度是空气的1/14，是大多数气体导热系数的数十倍，被誉为气体导热性之王。他是除了核以外所有化石燃料中，化工燃料和生物燃料发热值最高的、高达142,351kJkg 1，大约是同样质量汽油放出热量的3倍，同样质量焦炭的4.5倍。他的利用形式是非常多样化的，不仅可以通过燃烧直接产生热能，热力发动机中可以产生机械功。直接燃烧除了生成水和少量的氮化氢不会产生其他空气污染气体，在大型电站中，无论是哪种发电方式都要把得到的电，先发送到电网，接着由电网再统一分配给个体居民。但是电网有时是高峰，有时低谷，为了防止出现大的波动，电网中要设置一些开关迅速和反应较快的发电站，氢能发电可以比较好的适合这个位置。它不需要十分复杂的蒸汽系统只需要火箭型内燃发动机配以发电机。结构简单，可以达到启动迅速，想开就开，想关就关的，还可以用多余电来进行电解水，以作备用，也可用于制作燃料电池，它的原理就是氢和氧直接发生电化学而产生电能，它还具有污染少，污染少，噪声小，装置可大可小，非常灵活等优点，主要有酸式盐类和氧化物类，酸式盐主要有碳酸类和磷酸类，氧化物类则主要是以钙镁氧化物为主的。它还有可以用于作为固氮的结构材料2。1.2氢的储存问题氢能的开发利用中其中是以氢气的存储最为关键，所要求的技术含量最高。在室温和标准大气压强下1kg的氢气的体积大约是1kg水的12倍，因为氢气在常温下，密度很小，且化学性质活跃。储氢的问题就要求我们完美避免氢气本身问题，能够在安全的前提下，尽量的去把氢气压缩到最小值。压缩比越大，对于它的运输等问题也可以得到解决，且储氢的设备增加的重量不可以超过车辆自重。为此，各国的学者和科学家通过无数的方法和手段，至今还是没有找到符合这个要求的，都无法在实际中满足燃料储存对汽车的要求。直接压缩法所面临的难题，一是实际压缩下能量密度太低了，二是在实际生产中受到了压缩技术和成本的很大限制。直接压缩不仅要考虑其经济性，还尽量要做到单位体积多压缩氢气。还要注重其安全性，随着储氢量的不断增加，要求储存钢瓶的厚度也要变厚。对于如此高压力的钢瓶的安全运输等问题又凸显出来了。液氢储存法所面临的难题：一是氢液化所需的能量十分的大，在工程实际生产中氢液化耗费的能量十分的巨大，据相关数据可知液化1kg氢气的能量相当0.3kg液氢所储存的所有能量；二是实际生产中液氢储存所用容器的散热度的问题，液压储氢外界的温度和内部温度相差很大，为了减少外界的干扰，我们就需要选择散热十分小的材料。容器材料也要满足很多的要求，无疑也储氢增加了新难度。金属氧化物储氢具有非常好的储氢能力，丝毫不比液氢差。当今具有实用的储氢材料中，它的发展历史也较短，由美国的一个大学率先应用于实际生产：金属氢是通过以游离原子的形式存在于合金之中的，再次被重新解吸出来要经历很多复杂的物理化学过程。在这些复杂过程中还要受到很多其他因素的制约如反应速度等，所以不易爆炸，也相对较为安全。金属氢化物的储氢困难是储氢合金单位重量的储氢能力太低了，无法满足实际生产的要求。新型的吸附剂主要包括介孔分子筛，碳纳米管，复合吸附剂、磷铝分子筛等。1991年日本饭岛博士第一次在实验中意外的发现了碳纳米管，随之也引起材料界一次重大变革。为了研究出更加符合实际生产需求的储氢吸附剂，世界各地的科学家都在对纳米吸附材料进行了不同程度的研究。P.Chen利用化学的方法对碳纳米吸附表面进行了碱处理，是它们在比较温和的温度和常压下的条件下，可以达到很高的吸附量如用锂对其进行处理后的吸氢量甚至达到20wt%4，其性能丝毫不逊于汽油和柴油。碳基储氢材料的未来发展目标是不断优化吸，脱附氢的性能，降低表面处理所耗的成本，实现大规模的工业化。它所必须面对的技术难点是如何选择合适的催化剂，怎样优化制作方法，怎么实现批量生产。SWNTs可有新型催化剂制的，纯度可高达90%还因为其结构也比较简单。所以总是受到很多的关注但是分子见得结合力一直都没有统一的认识。第2章 常见几种的碳基储氢材料基本性质和应用2.1常见的储氢材料的分类储氢材料可以大致划分为四大类：碳基储氢材料、有机物储氢材料、储氢合金，配位氢化物储氢材料。碳基储氢材料主要包括有活性碳储氢材料，碳纤维储氢材料、碳纳米管储氢材料。 有机物储氢材料用的：一些有机物的氢化物、苯、甲苯、甲基环己烷、萘等储氢合金主要包括：鎂系，稀土系，钛系，Laves相系配位氢化物储氢材料：主要是由碱金属（Li,Na,K）或碱土金属（Mg,Ca）与第三主族元素（B,Al），常见的主要有LiAlH4，LiBH4，NaBH4，KBH43。2.2储氢材料简述2.2.1活性碳储氢材料活性炭储氢材料被发现于20世纪中后期，它主要是根据活性碳的比表面积非常高，在满足是温度较为缓和，压强偏大的情形下可以大量吸附氢气的原理。活性炭（AC）的结构是疏松多孔的，所以内部比表面积很大，活性炭储氢特点是抗酸和抗碱性都非常的强，可吸附量也十分大，释放和吸附容易，在温度较高的情况下，其解吸再生的晶体结构基本上没有发生变化、在温度波动较大的情况下，依然可以保持其相对稳定的物理化学结构，即使经过多次解吸操作后依然可以保持本身的吸附性能不发生较大的变化7。活性炭中间存在着许多大小和形状的不同的小孔，根据孔的大小可以大致可以分为3类：第一类是孔径小于2nm的微孔，它又可以分为2类孔：孔径0.72nm的超微孔和孔径小于0.7nm的极微孔，微孔的构成主要是毛细管壁，不同大小的孔，它的构成也会有较大的不同，所以材料的表面积和吸附量都十分的大。第二类是250nm的中孔，它的基本作用就是作为被吸附分子达到吸附点的通道和控制吸附速度的开关。第三类是孔径在50nm以上的大孔，它的作用和中孔是一样的。活性炭储氢技术和其他技术相比，它具有储量高，价格低，可大批量生产的特点，所以也是一种十分有潜力的储氢技术。2.2.2碳纤维储氢材料石墨纳米纤维材料是某些碳化物经过催化剂作用在高温下条件下，催化分解而产生的。由于反应条件的差异，它也可以产生三类结构互异的石墨纳米纤维，它们分别是平板状，鱼骨状和管状。美国科学家Chambers等人在常温和压强11.35mpa的条件下，成功测出了这三类石墨纳米纤维的储氢量分别是53 wt% 、11 wt% 、67 wt%。但是到现在为止没人可以重复这个结果。Angela等人对石墨纳米纤维进行了多种预处理，在长期的实验中取得了非常好的效果，其中效果最好的就是在为室温，压强7.04mpa的条件下得过储氢最大质量分数也只有3.08%。因而很多科学家认为石墨纳米纤维不可能高度储氢。碳纳米纤维是一种由石墨层和内管的轴成一定的角度而且其直径小于1000nm的碳纤维。它的表面存在很多分子级的细孔，内部存在有直径10nm左右的中空管，它的比表面积很大。大量的氢气可以储存在纳米管中，所以可能有超强的储氢能力。Fan等人成功的制备出了两类直径大约是;一类80nm左右的新型的气相生长的纳米纤维材料。不经任何处理，在常温和压强为11mpa的条件下它的吸氢量在实验中可以达到质量分数的12%左右。第二类碳纳米纤维直径是90125nm，在经过酒精和盐酸的共同作用，其储氢的质量分数也可以达到10%。范月英采用流动催化的方法，在常温和压强12mpa的条件下测出了它的储氢质量分数为13.6%。20世界90年初，日本科学家motojima利用金属镍作为催化剂，制得了一种新型的螺旋形炭纤维，因为它是一种手性材料，即具有电磁场交叉极化的特点，所以它可以成为储氢材料，也在其他许多领域有广泛的使用。上面很多数据都达到了美国能源局的标准，但还是没有被人从实验和理论证明过。所以还存在这很多实际问题需要解决。2.2.3 碳纳米管材料碳纳米管是日本物理学家饭岛澄男于1991年通过使用高分辨率的分析电镜在生产碳纤维的时候发现的。碳纳米管是一类拥有特殊结构的一维材料:它是一种特殊的管状的结构的碳分子，其中每个原子都是sp2杂化的，它们之间是通过碳-碳键结合起来的，构成以六边形状的蜂窝结构为骨架的碳基材料4。因为碳纳米材料在力学，电学等中有很多优良的性质，所以很快的成为了许多前沿科技的研究对象。碳纳米管具有非常大的比表面积，而且它本身拥有大量的微孔，它的储氢量也非常的大是许多传统的储氢材料无法比拟的。因而很快成为了储氢材料中的新贵。碳纳米管按石墨烯片的层次可以划分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。按结构不同可以划分成以下3种：手性纳米管，扶手椅形纳米管和锯齿形纳米管。碳纳米管可以产生一些层距大约0.337nm的有斜口的层板。又因为氢气分子的力学直径只有0.289nm，小于层间距，所以它可以吸附氢气。因为纳米管内部有不计其数的尺度不一的微孔，在氢气接触到纳米管表面的时候，其中有部分的氢气被吸附在其的表面上，还有一部分因受到了毛细作用，氢气被压到了内部的微孔中，变成了固态。所以纳米管这种材料才可以储存如此庞大的氢量，其储氢的性能远远超过了传统的很多材料，如活性炭。另一边方面碳纳米管内部的层板与氢气的结合比较松动，当外面的压力出现变动时它可以很快的再次释放出吸附的氢气，而且其速度非常的快（大约半小时左右）。很多科学家对纳米管的储氢进行了很多的研究，美国的科学家Dillon率先对没有经过任何提纯的SWNT（单壁碳纳米管）进行了吸附等多种性能的研究。他们是通过使用了程序升温脱附法（TPD）得到一系列的相关数据，他们推测在纯的单壁碳纳米管可以吸附较高的氢（5 wt%10 wt%）在室温和40kpa的情况下。远远不是活性炭和纳米纤维可以比拟的11。他们经过许多数据的分析比对，他们认为单壁碳纳米管是世界上最好的储氢材料之一。中国沈阳材料科学国家（联合）实验室的刘畅教授在非常高温的条件下用盐酸对单壁纳米管进行处理真空处理，在温度为25度，压强是12mpa的条件下，得的其储氢的质量分数大约45%。 绝大部分的科学家都表示纳米管的吸附量和其内部结构有许多联系和一些制方法，催化剂有关。它的许多优良性能和良好的储氢能力使其成为重点的研究对象。2.2.4 石墨烯石墨烯是一种由碳原子构成六角形的单层片的新材料。它原子之间主要是碳-碳 键结合在一起的，通过sp2轨道杂合在一起的。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。；石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300 W(M.K)，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000CMV.S，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6 cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料5。石墨烯的分子结构十分稳定，因为其内部的原子的连接的十分的柔韧，在外部施加不超过其最大承受压力的时候，他们可以利用碳原子面变形来适应外力，而不必再通过重新排列。所以是石墨烯的结构十分的稳定。石墨烯是许多碳基材料的基本组成单元，例如石墨，碳纳米管，富勒烯（C60）和活性碳。本文把石墨烯单独作为一个内容来写，主要是石墨烯和生活生产很接近。且具有一定的独立性，可以通过对石墨烯的研究来跟家全面的认识碳基储氢材料。二维的石墨烯是世界公认的最理想的储氢材料之一，随着石墨烯可以工业化生产，为石墨烯可以用于储氢提供了条件。由于氢气和石墨烯本身结合十分的弱，是属于传统的物理吸附。这个问题成为了石墨烯出清的另一个难题。直到2005年参杂的提出才是这个问题出现了解决方法。为了能够解决这个难题，很多科学家在不停努力着。liu利用密度泛函理论和第一性原理得出许多理论计算值。这些数据表明掺杂的石墨烯和金属的相互作用与摻杂浓度有关，摻杂浓度越大相互作用也就越大。湘潭大学教授钟建新通过对摻杂过Mn的双层石墨烯研究发现摻杂可以改变片层的间距。加强其储氢的能力。可以通过加大层间距可以加大储氢能力是双层石墨烯也成为了比较理想的额储氢材料。石墨烯由于在热学，电学，光学和机械方面的性能都十分的优秀。使石墨烯的引用非常的广泛。它主要的应用领域有储氢材料，纳米电子器件，太阳能电池，光子传感， 减少噪音等。第3章碳基储氢材料的储氢原理及其储氢分析3.1 活性碳的储氢3.1.1活性炭的储氢原理活性炭的储氢原理就是利用活性碳的超大比表的特性，众所周知在所有吸附材料中，其中活性炭的比表面积无疑是最高的。石墨烯的微观结构是即是石墨微晶。如果把其两侧也算入表面积的话，它的比表面积约2600/g6。在恒定温度下的条件下，材料的比表面积是吸氢量的决定因素。但是孔的分布对其也有一定的影响，大孔对于加大吸氢量没有什么帮助。只有微孔的也无法满足应用的要求，所以一般的活性炭都是同时存在大小孔，以小空为主。在给定活性碳的条件下，温度越高，储氢量就反而越低 科学家也研究其他因素对活性炭储氢的影响。例如酸碱度和表面的功能团，研究表明这些对它的影响很小。但是也肯定了化学活化制成的比较适合储氢。3.1.2活性炭储氢性能的分析活性炭的储氢性能分析，则主要要考虑到化学活化的影响，温度的影响等，本文主要考虑温度和活化2个外部因素。图3.1温度对吸附的影响图51.温度由图3.1可以看出在温度为93k293k，压强为0mpa7mpa的条件下，可以得知氢的吸附量在随温度的变化而发生明显的变化。即其吸附量和温度成反比关系。在压强较低的情况下，这个表现的更加明显，吸氢量发生非常明显的变化。2. 化学活化化学活化即把化学剂镶入炭粒内部，然后通过一系列的化学反应使其产生出很多微孔的一种方法。其中KOH活化是最普遍的，在化学活化的过程中有3种因素会对活性碳的吸附量有影响，分别是：化学剂和原材料的混合比例，活化的温度，活化的时间。化学剂和原材料的比例在是影响活化的最主要的因素，随着两者混合的比例增加，活性炭的比表面积也会很快的增加，当达到某个比值时，它的增长速度会明显变慢直至最后出现下降。如果化学剂太少，则置换出的碳原子会很少，形成的微孔也较少，不利于储氢，如果超过某值时也会出现下降的情况，所以混合的比例要十分的重要。活化的温度对孔的大小有非常大的影响。对于不同材料来说，它们的活化条件也可能是不同的。例如核桃壳随着温度的增加比表面积会一直上升，而活性炭的在800度以前会增加，当达到800度时比表面积就会下降。就相对于同一种材料来说，它的最适合的活化温度也是不同的。它还受许多其他因素的影响，例如材料的粒度，混合比例等有关。活化时间也会直接影响活性炭的表面积，活化反应开始的时候，主要是形成微孔，所以活性炭的比表面积会增加的非常的迅速，当反应发生到一定的程度时候，原来的有些微孔破坏了，它的比表面积反而会下降。3.2 碳纳米纤维的储氢3.2.1碳纳米纤维的储氢原理碳纳米纤维储氢原理是碳纳米纤维的层面间距非常的大，远远超过了氢分子的直径，所以氢气可以直接进入其内部。另一方面是因为碳纳米纤维独特的内部结构，中间有一个中空管，可以发生毛细作用，是氢气吸附在中空管中。碳纳米纤维有非常大的比表面积，碳纳米纤维的表面就可以吸附大量的氢气，通过扩散运动进入其内部。3.2.2碳纳米纤维储氢性能的分析由碳纳米纤维储氢储氢原理可以得知它储量应该与比表面积，微孔容积等有关，由科学家的研究得知温度对其储氢也有影响。影响多孔材料物理吸附的主要因素有比表面积和微孔的大小，本文主要是引用了清华大学公孙敏等的碳纳米纤维的实验图进行分析。图3.2比表面积和吸附量关系图 6图3.2是碳纳米纤维材料在77k的条件下它的储氢吸附量和比表面积的关系图。由图结合数据分析的知识，我们可以得出其重要的结论，在同一压强的的前提下，氢气的吸附量和它的比表面积成正比，在其他条件不变的情况下，改变压强，它的比表面积也会有较大的影响。即压力越小，它对比表面积的影响也就越小。微孔容积对纳米纤维材料的吸附氢气量有十分重要的影响。在压强一定的条件下，纳米纤维材料的氢气吸附量和其微孔容积成正比关系，即是随着微孔容积的增大，纳米纤维材料的吸氢量也会增加16。增大压强会使增加的更加明显。中孔的情况也是一样的。由于在微孔中会发生势能叠加效应，所以氢更加容易吸附在纳米纤维材料的表面。如果微孔容积太小，他们的吸附作用也会非常的小。温度对纳米纤维材料的吸附氢也有重要的影响。温度和其氢吸附量成线性关系。温度变大，它的吸氢量减少。3.3 碳纳米管储氢3.3.1碳纳米管的储氢原理碳纳米管储氢最先是由美国科学家Dillon等于1994提出的。此文只说明了一个氢脱附的实验结果。碳纳米管是储存氢气重要的材料之一，其中以多壁碳纳米管的储氢性能最佳。对于碳纳米管储氢的原理现在主要有2种观点，第一种观点认为碳纳米管在储存氢气的过程中单纯的只发生了物理吸附作用，没有发生化学吸附。氢分子和碳原子之间是通过分子间的作用力结合在一起的。如果这个观点是正确的话，就可以推出分子间的作用力很小，吸附所需热量也很少，氢气被吸附可以产生多层吸附的现象。第二种观点主要是考虑在吸附的过程中纳米管的电子态的变化和所发生的量子效应。如果这个观点成立，那么就可以得到相反的结论。在吸附的过程中十分容易形成单层吸附。吸附吸附速度也很慢。虽然对纳米管的储氢原理，有不同看法但是对纳米管的未来研究的方向确实基本一致的。碳纳米管储氢因为原理的分歧也形成2种主要研究方法，其中一种就是认为碳纳米管对氢气的吸附过程是物理吸附，过程中间没有发生任何的化学变化，另一种则是相反，是完全从化学方面来考虑这个问题。在有很多科学家的对比结论下，如袁兴红等采用巨正则蒙特卡罗方法模拟氢分子在碳纳米管及其阵列中的存储过程。得出了以下的结论碳纳米管主要是物理吸附作用，但是它在吸附过程中也存在着化学吸附作用。3.3.2碳纳米管储氢性能的分析纳米管吸附氢气的量也和许多因素有关。主要有纳米管比表面积，温度，压强等有关。碳纳米管的比表面积的相当的大，主要是因为它的径向直径很小的原因。比表面积又对碳纳米储氢的许多的影响。想增加碳纳米管的储氢性能，可以通过增加其比表面积，1，使用物理或化学的方法使碳纳米管离散化，从而增加它的外表面积。2，打开碳纳米管的内部闭孔，从而使其内表面积增加。3，通过在碳纳米管表壁制造缺陷的方法，其实开口和提纯也是提高其表面积的重要的方法。碳纳米管的氢气的吸附量并一直不是随着压强的增加而增加。当压力到达一个特殊值是就会出现一个极值，极值和很多因素有关，例如样品的种类，使用方法有关。温度和吸氢量成反比。对于碳纳米管储氢性能要从多方面来考虑，例如对环境的影响，单位体积储氢等。3.4 石墨烯储氢3.4.1石墨烯的储氢原理石墨烯的发现不仅为新型电子的设计提供了基础，而且在清洁能源领域，石墨烯摻杂锂原子被认为是最有前途的储氢材料之一，锂掺杂石墨烯有望优于锂掺杂碳纳米，因为石墨烯吸附的氢气可以随便被使用，可以保证高效储氢。但是具有高覆盖率的石墨烯的吸附锂原子的氢，静电会削弱阳离子之间的相互作用。最近， BIERI等首次成功地合成一个具有良好定义的多孔石墨。插入洞的具体尺寸和分布在石墨烯薄片的电子结构可能会大幅改变的。此外, 锂摻杂物有可能在多孔石墨烯中分离。和掺锂石墨烯相比，锂阳离子之间的静电相互作用应该是较低的。他们储氢量也会明显增加。图3.3石墨烯示意图5它的储氢原理,大部分上的储氢材料的储氢都是由于有非常大的比表面积，所以可以成为储氢材料，而石墨烯是三维的层状的内部结构，它们层间距远大于氢分子的直径，它们之间是有分子间的作用力结合在一起的。由于它们间距大于氢分子直径，就为氢气的吸附提供通道。它有很多在同一平面的原子，结构很难被破坏，所以他的熔点很高，化学性质很稳定。它由于结构之间存在着空隙，所以它的表面积很大。也为成为储氢材料的一个重要理论依据由于摻杂可以改变石墨烯的内部结构，减少它们离子之间的作用。从而更大程度增加它的储量。石墨烯的储氢原理，主要就是高的比表面积，稳定的化学性质，摻杂改变内部结构。 3.4.2石墨烯的储氢性能的分析 石墨烯的储量量主要摻杂离子的种类有关，温度，比表面积有关，其中石墨烯主要的受到摻杂离子的影响十分的明显，对不同的离子，石墨烯的储量有非常的大的区别，其中 效果最好的，且投入了生产的锂离子摻杂就是目前各方面被认为是较好的。它的储量量可以高达61(wt)，后面被发现的钙离子摻杂石墨烯，理论计算值甚至到达8.4(wt)，还可以实现反复多次利用，所以摻杂离子对它储氢的效果与很大的影响，还有就是它的温度的影响，和上述的纳米管一样的所以就不再重复了。它的比表面积的大小主要是受到石墨烯层数的影响。它的单位质量层越多就可以储氢越多6。石墨烯作为21世纪的的一种新材料，被广泛的使用在很多的地方。它稳定的化学性质，和很多优良的物理性质，使它成为了电子通讯，生物和储氢方面的新宠。为环境保护作出了非常的贡献。第4章 碳基材料储氢应用随着环境污染日益严重，矿物能源短缺，人类越来越需要清洁的新能源，而氢能以其独特的优势以及丰富的资源引发科研界人士的关注。全世界几十个国家都在氢能得研发上投入了大量的人力与资金。其中，氢能得运用主要包含生产、储存、应用。而储存乃是关键之所在。据我们了解，储氢合金循环吸收氢的过程会出现晶粒化等不利影响，无法满足实际应用中的要求。通过低压储氢技术现在正在加紧研究中，其机理是借助于多孔介质的强大吸附功能，使得氢气浓缩、密度增加，以一种类似于超临界流体模式被存储在多孔的介质孔隙里边。一个典型的例子就是富勒烯，用氧化铝作为正的催化剂，在423K、氢气压力为5MP下，生成富勒烯，因为吸附热大，会有较大的副作用影响，目前还没投入实际的应用。 通过对碳纳米纤维做表面处理可以改善物化性质，比如改变表面积、表面状态。处理后的材料中孔径会显著减少而其数量会增大至少一倍，这是因为很多的碳纳米纤维的末端都被打开了同等孔径的数目就会增多。孔结构分析结果说明表面积和孔容大大提高为氢气进入纳米纤维内部提供了大量通道和储氢的空间。从而进一步改善其储氢性能。实验者使用浓硝酸泡之，或者置于空气中氧化以取出处理后的样品游离，或者附着在纤维表面上的无定形碳等杂质，将纤维端口打开，再然后就用盐酸浸泡除掉样品中的铁离子，使得样品更为洁净并打开一些端口。最后通过高温作用除掉表面杂质为氢气顺利进入管道内部做好铺垫。 1995年，Dillon和他的伙伴们经研究发现，在稳定状态下，气体分子只可以停留在对应势井的最深处，所以固体的表面只能存在一层吸附分子。这就是说吸附氢的多少就与表面积大小成正比。作为物理吸附，饱和吸附量也是温度的函数。饱和吸附量呈指数函数规律上升。所以我们一般采用低温吸附。具有实用价值的储氢材料都具有丰富的微孔。从这个角度，超级活性碳可以作为碳纳米材料。美国波斯顿东北大学的研究者宣称可以使储氢的密度上升到百分之七十五，但结果不如人意，只有百分之十。而我国学者研究所得结果竟然高达百分之十三点六。但在确认可以做为储氢材料之前，有两个问题需要讨论，其一是体积储氢密度是多少，其二是如何加快缓慢释放氢气的速度7。 而具有实用价值的储氢材料，还必须考察碳纳米纤维的体积储氢密度。碳纳米材料吸收氢气的速率相当的缓慢。据相关数据记录，碳纳米管需要五个小时才能够达到百分之四左右的最大容量。就好比给一个蓄电池充电一样，不能适应加气站三分钟内充满的要求。碳纳米材料释放氢气的速率非常的缓慢，这出于两个基本原因：（1）氢气在纳米级通道内扩散速度很缓慢；（2）吸附过程的热效应十分显著。由于在碳纳米材料上氢的吸附势能更高，其相应吸附热效应也会随着成倍增高。吸附容量稳定性不好以及材料对吸附压力的敏感性都是碳纳米管材料作为储氢气载体的绊脚石。此外，碳纳米材料储氢需要施加较高的气压。在5MPa的压力下，储氢总量不会超过百分之一，而使用活性炭低温吸附来储氢就会存在对压力不敏感的问题。结论碳基储氢材料由于其本身具有很多优良的物理性质和化学性质使它迅速的成为了世界上最佳储氢材料之一，本文主要综述从不同的角度来分析和考虑碳基储氢材料的储氢性能。本文主要对比了碳基储氢材料和一些其他的储氢材料，突出了碳基储氢材料作为一种非常的储氢方法的优势之处。再者通过对碳基储氢材料的具体介绍，较为具体介绍了他们的很多物理和化学性质，有利我们可以更加综合的去了解和应用碳基储氢材料。最后分析了碳基储氢材料的储氢原理，分析一些因素对其储氢量的影响，为我们改善储氢方法，提高储氢量做出了理论依据。参考文献1 马圣乾 ，康英杰碳基储氢材料研究进展D山东：山东泰山学院物理与 电子工程学院，19982 杨全红，吕伟，杨永岗，王茂章自由态二维碳原子晶体单层碳基材料J新型炭材料，2008，2(1):97-102.3 刘云圻，魏大程，狄重安化学气相沉积法制备碳基储氢材料的方法P 中 国专利：200810113596，2008-05-29 4 -张伟娜， 何伟 ，张新荔碳基储氢材料的制备方法及其应用特性J 化工新型材料 ，2007, 38(7), 85-92 5 徐超.基于碳基储氢材料材料的制备及其性能的研究M北京：高等教育出版社，2010: 101-103.6 Choucair M, Thordarson P , Stride J A. Gram-scale production of graphene based on solvothermal synthesis and sonicationJ. Nature Nanotechnology , 2009 , 4(1) : 30-33.7 Wang S R, Tambraparni M, Qiu J J, et al. Thermal expansion of graphene compositesJ. Macromolecules , 2009 , 42(14) : 5251-5255. 致谢时光匆匆，转眼大学四年马上就要接近尾声了，对于那谢曾经帮助过我的人我由衷的感谢，在大学四年首先感谢我们班主任曾瑶老师 ，感谢她四年来我的关心。也感谢我的每一个大学老师，谢谢你们四年无悔的付出，不仅教给我专业的知识，也教会我们许多人生的道理。感谢何军老师对我的论文指导，老师对我的论文提供了非常大的帮助，不断为我解答疑惑和细心指导，我在此衷心感谢，还要感谢四年多大学许多朋友的关心和帮助，在此表示真诚的感谢，人生的大道上，能和你们相遇是我大学四年的幸运。还要特别感谢我的父母，天高地厚之恩永生难报。 学生签名： 日 期：17湖南工业大学本科毕业设计（论文）过程管理资料2014届本科毕业设计（论文）资料第二部分 过程管理资料过程管理资料目录一、毕业设计（论文）课题任务书1二、本科毕业设计（论文）开题报告3三、本科毕业设计（论文）中期报告4四、毕业设计（论文）指导教师评阅表8五、毕业设计（论文）评阅教师评阅表9六、毕业设计（论文）答辩及最终成绩评定表10I2014届毕业设计（论文）课题任务书学院(部)： 理学院 专业（方向）：应用物理指导教师何军学生姓名李灿课题名称碳基储氢材料储氢机理及其应用研究内容及任务一、研究内容 碳基储氢材料储氢机理及其应用研究二、研究任务（1）了解碳基储氢材料的相关背景；（2）查找资料了解碳基储氢材料储氢机理；（3）了解碳基储氢材料在工业生产作用拟达到的要求或技术指标1、搜集大量与课题相关的文献资料；2、学习大量的有关的知识，了解纳米领域的前沿动向，通过查找资料等方法了解碳基储氢材料储氢机理及其应用研究。3、完成一篇结构严谨、观点正确、论据充分、文字表达流畅，具有一定的创新性、字数在1.2万字以上的毕业论文。 进度安排起止日期工作内容2013年下学期第13周至第14周指导教师与学生见面，明确课题任务。2013年下学期第15周至第18周掌握文献检索方法，研读相关文献资料，明确技术路线和方法，撰写开题报告。2013年下学期第19周上交开题报告，继续收集和研读相关资料，为毕业论文和毕业实习做好准备2014年上学期第1周至第4周完成毕业实习，填写好实习日志，撰写好实习报告2014年上学期第5周至第10周归纳整理资料，形成自己的观点，完成论文的初稿和中期报告2014年上学期第11周至第13周修改论文，定稿，并将论文正稿提交老师评阅2014年上学期第14周至第15周做好答辩准备，完成论文答辩主要参考资料1 马圣乾 ，康英杰碳基储氢材料研究进展D山东：山东泰山学院物理与电子工程学院，19982杨全红，吕伟，杨永岗，王茂章自由态二维碳原子晶体单层碳基储氢材料J新型炭材料，2008，2(1):97-102.3刘云圻，魏大程，狄重安化学气相沉积法制备碳基储氢材料的方法P 中国专利：200810113596，2008-05-29 4 -张伟娜， 何伟 ，张新荔碳基储氢材料的制备方法及其应用特性J 化工新型材料 ，2007,38(7),85-92 5徐超.基于碳基储氢材料材料的制备及其性能的研究M北京：高等教育出版社，2010: 101-103.6Choucair M, Thordarson P , Stride J A. Gram-scale production of graphene based on solvothermal synthesis and sonicationJ. Nature Nanotechnology , 2009 , 4(1) : 30-33.7Wang S R, Tambraparni M, Qiu J J, et al. Thermal expansion of graphene compositesJ. Macromolecules , 2009 , 42(14) : 5251-5255. 系（教研室）意见签名：年 月 日学院(部)主管领导意见签名：年 月 日湖 南 工 业 大 学本科毕业设计（论文）开题报告 （2014届）学 院（部）： 理学院 专 业： 应用物理专业 学 生 姓 名： 李灿 班 级： 1001 学号：10411200127 指导教师姓名： 何军 职称： 教授 2013年 12月 24 日3湖南工业大学本科毕业设计（论文）过程管理资料题目：碳基储氢材料储氢机理及其应用研究 1. 结合课题任务情况，查阅文献资料，撰写15002000字左右的文献综述研究背景随着中国经济的快速发展，企业在市场中的竞争压力不断增加，如何使企业在中国加入WTO后仍然能够立于不败之地，并不断的发展壮大，就必须得高度重视投入产出问题,千方百计的思考“开源节流”、“提高利用率”的问题,想方设法做到以尽可能少的付出获取尽可能多的回报,努力提高企业每项工作的经济效益。特别是对于化石燃料消耗巨大的企业更应该根据自身的实际情况合理做出相关经济分析理论和方法，如若不然企业自身将面临巨大的能源压力，企业的快速发展也将无从谈起。可以说,随着我国经济体制改革的不断深入,石油加工企业的处境发生了很大的变化。过去几乎是国家供着养着,凭着国家产业政策的倾斜和偏向,石油加工企业过着衣食无忧的生活;现在则大不相同了,石油加工企业必须得面对市场经济和入世等新环境的冲击,必须得接受优胜劣汰的残酷现实。环保的氢能无疑是一个非常好的选择，但是由于氢本身是气体不易于储存，容易发生爆炸，因而它的运输是一个难题，所以才出现了多种储氢材料，其实碳基储氢材料就是其中非常好的。一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。碳基储氢材料一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在。由于碳基储氢材料实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。碳基储氢材料另一个特性，是能够在常温下观察到量子霍尔效应。石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层雷同，是碳原子以sp2混成轨域呈蜂巢晶格(honeycomb crystal lattice)排列构成的单层二维晶体。碳基储氢材料可想像为由碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网。碳基储氢材料的命名来自英文的graphite(石墨) + -ene(烯类结尾)。碳基储氢材料被认为是平面多环芳香烃原子晶体。碳基储氢材料的储存氢原理；众所周知，材料吸附氢气量和其比表面积成正比，碳基储氢材料拥有质量轻、高化学稳定性和高比表面积的优点，使其成为储氢材料的最佳候选者。Ataca等用钙原子(Ca)掺杂碳基储氢材料，利用第一性原理和从头算起的方法得到碳基储氢材料被Ca原子掺杂后储氢量约为84(wt)；他们还发现氢分子的键能适合在室温下吸放氢，Ca会留在碳基储氢材料表面，有利于循环使用碳基储氢材料的应用范围很广，从电子产品到防弹衣和造纸，甚至未来的太空电梯都可以以碳基储氢材料为原料。在纳米电子器件方面，碳基储氢材料的应用包括：电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管；进一步减小器件开关时间，超高频率的操作响应特性；探索单电子器件；在同一片碳基储氢材料上集成整个电路。其他潜在应用包括：复合材料；作为电池电极材料以提高电池效率、储氢材料领域、场发射材料、量子计算机以及超灵敏传感器等领域。碳基储氢材料是世界强度最高的物质。这种物质不仅可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣，甚至能让科学家梦寐以求的2.3 万英里长太空电梯成2.选题依据、主要研究内容、研究思路及方案选题依据氢能是一种洁净、高效的可再生能源,其独特的优势日益引起人们的关注氢能的开发主要包括氢的生产、储存、运输和应用.目前,储氢是氢能开发利用的关键问题.美国能源部(DOE)提出的储氢目标是2010年要求质量储氢密度达到6% 1 . 碳基储氢材料2 是2004年发现3 的一种新型碳材料它 由碳原子sp2 杂化构成只有单原子层厚的二维蜂窝状结构其比表面高达2.63103 m2 /g,而且表面碳原子比例为100%4 .碳基储氢材料