神奇的储氢材料——碳纳米管
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Miraculous hydrogen storage material ——carbon nanotube
Something about energy
1、化石能源短缺 石油、天然气、煤炭使用时间有限； 汽车、火车、轮船、飞机的大量普及…… 2、环境的要求：环境友好型 3、可持续发展的压力：节能环保
实现了氢能的普及，必将是人类历史的一大创举。
1、加氢站 2、燃料电池
3、航空航天领域
北京奥运会期间的氢能源公交车
1）1970年阿波罗登月飞船 使用液氢为燃料 2）我国长征三号系列火箭 液氢液氧为燃料
欧洲空中客车公司，美国波音公司等制定了氢气 内燃机的发展规划
燃料电池公共汽车（FCB） 1993年第一辆燃料电池大客车由加拿大巴拉德 公司开发成功。
活性炭 石墨纳米纤维
碳纳米管
78 65
200—400
4.2 常压
常压
6.8% 8.2%
8%
如果将某些金属与碳纳米管结合使用，即 将碳纳米管掺杂，储氢效果会更好。
下面是从文献中获取的部分数据：
在用碳纳米管存储氢气时，应该加大储氢压力， 并且适当降低存储温度为佳。需要选择合适的 优化组合方式，来达到效益最大化。
• 又叫巴基管，碳的同素异形体 • 由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成 的无缝、中空纳米管
单壁碳纳米管 直径为1-6 nm
多壁碳纳米管 直径nm → μm
CNT的性质
1、优异的学性能.
碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性， 可以拉伸。碳纳米管的长径比一般在1000:1以上，是理 想的高强度纤维材料。 碳纳米管的强度比同体积钢的 强度高100倍，重量却只有后者的1/6到1/7。碳纳米管 因而被称“超级纤维”。碳纳米管置于1000Pa的水压 下,碳纳米管被压扁,撤去压力后，碳纳米管像弹簧一样 立即恢复了形状，表现出良好的韧性。
体积密度需达到65%（氢气质量/系统体积）
目前的储氢材料都不能满足这一要求。
Carbon nanotube （ＣＮＴ）
由于纳米材料的研究热潮的带动，以碳和 纳米碳材料进行储氢成为新的研究热点。
纳米材料(1—100nm)的基本效应 1、小尺寸效应（体积效应） 2、量子尺寸效应 3、宏观量子隧道效应
2、优良的储氢性能.
碳纳米管的中空结构， 以及较石墨(0.335nm)略大的 层间距(0.343nm)，是具有更加优良的储氢性能，实 验结果表明, 混铜粉定向多壁碳纳米管电极的储氢量 是石墨电极的10倍, 是非定向多壁碳纳米管电极的13 倍, 比电容量高1625 mAh/g, 单位体积储氢密度为 39.8kg/m3,具有优异的电化学储氢性能。
储氢量与储氢压力（温度）关系图
氢气释放问题：
2005年7月26日,美国NIST和Turkey's Bilkent大学发 现,钛修饰碳纳米管可以解决有效储氢的两个关键 问题:不但能够吸附足够数量的氢分子,而且可以 在加热时轻易地释放． 研究人员正在试图用碳纳米管制作轻便的可携带 式的储氢容器。
前 景 prospects
氢能的优越性
3、热能集中：氢氧焰火焰挺直，热损失小，利用效率高。 4、自动再生：氢能来源于水，燃烧后又还原成水。 5、来源广泛：氢气可由水电解制取，水取之不尽，而且 每千克水可制备1860升氢氧燃气。
最佳制备方式：
利用太阳能来分解水制氢气是最理想的途径
氢气的储存
1）加压气态存储 我国40L，15MPa存储约0.5公斤的氢，不到钢瓶的2%。加拿大已出现82MPa 的储氢压力容器。 能耗高，安全隐患
H2
储氢的基本原理：
碳纳米管是由石墨烯片层卷曲而成的无缝中空管状 物质，层间距为0.337nm，而氢气的动力学直径为 0.289nm，所以，氢气能够被这种片层卷积的物 质所吸附。总体而言，碳纳米管对氢气的吸附属 于物理吸附，
依靠分子间的范德华力来连接氢气分子与碳原子。 分子力的作用较小，吸附热较低，碳纳米管对氢 气的吸附可以产生多层吸附的特点。
全球燃料电池公共汽车量数
年份 累计数/辆
1993 1994 1 3
1996 5
1997 6
1998 14
1999 2000 16 22
2001 26
2002 31
hydrogen energy
氢能被人们称为理想的“绿色能源”
氢能的优越性
1、安全环保：氢气分子量为2，比空气轻1/14，因此氢气泄露 空气中会自动逃离地面，不会形成聚集。而其他燃油燃气均会 聚集地面而构成易燃易爆危险。无味无毒，不会造成人体中毒， 燃料产物仅为水，不污染环境。 2、高温高能：1kg氢气的热值为34000Kcal, 是汽油的三倍。氢 氧焰温度高达2800度，高于常规液体。
碳纳米管的优越性
碳质吸附储氢
氢气在碳质纳米材料中吸附储存主要是在活性炭和碳纳米 材料中的吸附存储。得出的结果是，单壁碳纳米管 （SWNT）、多壁碳纳米管（MWNT）、碳纳米纤维 （CNF）、碳纳米石墨等都可以作为储氢材料。
下面是几种碳质材料储氢性能比较：
几种碳质材料储氢性能比较
吸附材料 吸附温度(K) 吸附压力(MPa) 吸附容量
2）液化存储 热分层问题，上部由于氢的挥发导致上部氢温度低，下部温度高，从而产 生对流。 不能长期保持，每天蒸发损失1%-2%。
3）金属氢化物储氢
储氢机理： xM+yH2 -------- MxH2y
技术难点！！！
氢气的存储是氢经济发展的主要瓶颈
为了达到和现有燃油汽车相当的存储量，
氢气存储重量需达到6.2%（氢气重量/系统重量）
Something about energy
1、化石能源短缺 石油、天然气、煤炭使用时间有限； 汽车、火车、轮船、飞机的大量普及…… 2、环境的要求：环境友好型 3、可持续发展的压力：节能环保
实现了氢能的普及，必将是人类历史的一大创举。
1、加氢站 2、燃料电池
3、航空航天领域
北京奥运会期间的氢能源公交车
1）1970年阿波罗登月飞船 使用液氢为燃料 2）我国长征三号系列火箭 液氢液氧为燃料
欧洲空中客车公司，美国波音公司等制定了氢气 内燃机的发展规划
燃料电池公共汽车（FCB） 1993年第一辆燃料电池大客车由加拿大巴拉德 公司开发成功。
活性炭 石墨纳米纤维
碳纳米管
78 65
200—400
4.2 常压
常压
6.8% 8.2%
8%
如果将某些金属与碳纳米管结合使用，即 将碳纳米管掺杂，储氢效果会更好。
下面是从文献中获取的部分数据：
在用碳纳米管存储氢气时，应该加大储氢压力， 并且适当降低存储温度为佳。需要选择合适的 优化组合方式，来达到效益最大化。
• 又叫巴基管，碳的同素异形体 • 由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成 的无缝、中空纳米管
单壁碳纳米管 直径为1-6 nm
多壁碳纳米管 直径nm → μm
CNT的性质
1、优异的学性能.
碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性， 可以拉伸。碳纳米管的长径比一般在1000:1以上，是理 想的高强度纤维材料。 碳纳米管的强度比同体积钢的 强度高100倍，重量却只有后者的1/6到1/7。碳纳米管 因而被称“超级纤维”。碳纳米管置于1000Pa的水压 下,碳纳米管被压扁,撤去压力后，碳纳米管像弹簧一样 立即恢复了形状，表现出良好的韧性。
体积密度需达到65%（氢气质量/系统体积）
目前的储氢材料都不能满足这一要求。
Carbon nanotube （ＣＮＴ）
由于纳米材料的研究热潮的带动，以碳和 纳米碳材料进行储氢成为新的研究热点。
纳米材料(1—100nm)的基本效应 1、小尺寸效应（体积效应） 2、量子尺寸效应 3、宏观量子隧道效应
2、优良的储氢性能.
碳纳米管的中空结构， 以及较石墨(0.335nm)略大的 层间距(0.343nm)，是具有更加优良的储氢性能，实 验结果表明, 混铜粉定向多壁碳纳米管电极的储氢量 是石墨电极的10倍, 是非定向多壁碳纳米管电极的13 倍, 比电容量高1625 mAh/g, 单位体积储氢密度为 39.8kg/m3,具有优异的电化学储氢性能。
储氢量与储氢压力（温度）关系图
氢气释放问题：
2005年7月26日,美国NIST和Turkey's Bilkent大学发 现,钛修饰碳纳米管可以解决有效储氢的两个关键 问题:不但能够吸附足够数量的氢分子,而且可以 在加热时轻易地释放． 研究人员正在试图用碳纳米管制作轻便的可携带 式的储氢容器。
前 景 prospects
氢能的优越性
3、热能集中：氢氧焰火焰挺直，热损失小，利用效率高。 4、自动再生：氢能来源于水，燃烧后又还原成水。 5、来源广泛：氢气可由水电解制取，水取之不尽，而且 每千克水可制备1860升氢氧燃气。
最佳制备方式：
利用太阳能来分解水制氢气是最理想的途径
氢气的储存
1）加压气态存储 我国40L，15MPa存储约0.5公斤的氢，不到钢瓶的2%。加拿大已出现82MPa 的储氢压力容器。 能耗高，安全隐患
H2
储氢的基本原理：
碳纳米管是由石墨烯片层卷曲而成的无缝中空管状 物质，层间距为0.337nm，而氢气的动力学直径为 0.289nm，所以，氢气能够被这种片层卷积的物 质所吸附。总体而言，碳纳米管对氢气的吸附属 于物理吸附，
依靠分子间的范德华力来连接氢气分子与碳原子。 分子力的作用较小，吸附热较低，碳纳米管对氢 气的吸附可以产生多层吸附的特点。
全球燃料电池公共汽车量数
年份 累计数/辆
1993 1994 1 3
1996 5
1997 6
1998 14
1999 2000 16 22
2001 26
2002 31
hydrogen energy
氢能被人们称为理想的“绿色能源”
氢能的优越性
1、安全环保：氢气分子量为2，比空气轻1/14，因此氢气泄露 空气中会自动逃离地面，不会形成聚集。而其他燃油燃气均会 聚集地面而构成易燃易爆危险。无味无毒，不会造成人体中毒， 燃料产物仅为水，不污染环境。 2、高温高能：1kg氢气的热值为34000Kcal, 是汽油的三倍。氢 氧焰温度高达2800度，高于常规液体。
碳纳米管的优越性
碳质吸附储氢
氢气在碳质纳米材料中吸附储存主要是在活性炭和碳纳米 材料中的吸附存储。得出的结果是，单壁碳纳米管 （SWNT）、多壁碳纳米管（MWNT）、碳纳米纤维 （CNF）、碳纳米石墨等都可以作为储氢材料。
下面是几种碳质材料储氢性能比较：
几种碳质材料储氢性能比较
吸附材料 吸附温度(K) 吸附压力(MPa) 吸附容量
2）液化存储 热分层问题，上部由于氢的挥发导致上部氢温度低，下部温度高，从而产 生对流。 不能长期保持，每天蒸发损失1%-2%。
3）金属氢化物储氢
储氢机理： xM+yH2 -------- MxH2y
技术难点！！！
氢气的存储是氢经济发展的主要瓶颈
为了达到和现有燃油汽车相当的存储量，
氢气存储重量需达到6.2%（氢气重量/系统重量）