摘要

近年來，在國家“雙碳”政策（2030年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和目標(biāo)）的背景下，氫能源和碳捕集利用相關(guān)行業(yè)受到了廣泛關(guān)注及發(fā)展，特別是儲氫以及CO2的捕獲及轉(zhuǎn)化利用等相關(guān)產(chǎn)業(yè)。而H2、CO2等氣體存儲及分離材料的研究則是推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。

近日，山東大學(xué)程星星老師課題組以香蒲（TO）為原料合成了具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)纖維素碳?xì)饽z，并進(jìn)一步用KOH活化增強(qiáng)了碳?xì)饽z的儲能性能。TO纖維素碳?xì)饽z具有質(zhì)量輕（3.65 mg/cm3）、超疏水性和大比表面積（1840 cm2/g）的特點。由于優(yōu)異的微孔體積和豐富的官能團(tuán)，TO碳?xì)饽z可以作為多功能吸附材料應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。該材料在室溫下具有0.6 wt%的儲氫容量，16 mmol/g CO2吸附容量, 123.31 mg/g鄰二甲苯和124.57 mg/g鄰二氯苯的吸附容量。低成本、環(huán)保的多功能TO纖維素碳?xì)饽z在儲氫、固碳以及二惡英去除等各種應(yīng)用中都有很好的前景。研究為可再生生物質(zhì)資源的高性能功能碳材料的可持續(xù)設(shè)計和制造提供了一種新的有效方法，可廣泛用于儲能和環(huán)保行業(yè)。該研究以“Multifunctional carbon aerogels from typha orientalis for applications in adsorption: Hydrogen storage, CO2 capture and VOCs removal”為題，發(fā)表于期刊Energy。

研究中使用了國儀量子H-Sorb X600系列產(chǎn)品

Schematic illustration for the fabrication procedure of TO cellulose carbon aerogels.[2]

此外，在氣體分離材料研究方向，常州大學(xué)任秀秀老師課題組采用溶膠-凝膠法將對H2具有獨(dú)特作用的二維（2D）二硫化鉬（MoS2）摻入1,2-二（三乙氧基硅基）乙烷（BTESE）衍生的嫁接微孔有機(jī)硅網(wǎng)絡(luò)中，成功制備了用于H2分離的復(fù)合膜。研究成果以“Laminar MoS2 Nanosheets Embedded into Organosilica Membranes for Efficient H2 Separation”為題，發(fā)表于期刊Industrial & Engineering Chemistry Research。由于其相反的ζ電位，水解聚合反應(yīng)生成的BTESE溶膠與MoS2納米片之間并形成了無片層邊界缺陷的連續(xù)表面。隨著MoS2含量的增加，BTESE膜的H2透過率在1.85 ~ 2.89 × 10?7 mol·m?2 s?1 Pa?1（552 ~ 864 GPU）范圍內(nèi)呈整體增加趨勢，高于原始BTESE膜的H2透過率（491 GPU）。此外，優(yōu)化后的MoS2/BTESE膜在100℃下的H2/N2選擇性為129，遠(yuǎn)高于原始BTESE膜的17。這些得益于BTESE和MoS2納米片的協(xié)同效應(yīng)。通過吸附等溫線測試、擴(kuò)散系數(shù)和能量計算，發(fā)現(xiàn)無孔MoS2的加入使BTESE網(wǎng)絡(luò)密度增大，阻止了N2的通過，而在MoS2帶電邊緣上的良好吸附促進(jìn)了H2的吸附，因此無論是滲透率還是選擇性都相應(yīng)提升，使得材料具有優(yōu)異的H2分離能力。同時，這一方法也為氫分離提供了一個新穎的機(jī)制。

 Schematic principle of MoS2/BTESE networks for gas separation.[3]

高壓氣體吸附表征技術(shù)

山東大學(xué)：氣體存儲應(yīng)用

纖維素碳?xì)饽z（CA）的儲氫能力如下（a）圖所示?？梢钥闯?，經(jīng)KOH活化后，CA的儲氫能力顯著提高。CA-KOH1和CA-KOH2的儲氫容量相近，室溫80 bar氫壓的條件下儲氫容量均為0.61 wt%。如下（b）圖為氫吸附的Langmuir線性擬合，可以看出R2大于80%，這驗證了Langmuir等溫線的適用性，表明吸附劑沸點以上的氫分子在CA上的單層物理吸附，吸附劑的比表面積是影響吸氫性能的重要參數(shù)之一。此外，材料在80 Bar時仍呈線性上升趨勢，這表明表面覆蓋尚未達(dá)到飽和。

 (a)Hydrogen isotherm curves of activated CA at room temperature. (b)Hydrogen storage – Langmuir linear fitting curves.[2]

CA材料在25 ℃和30 Bar下吸附二氧化碳的能力如下圖所示。隨著壓力的增加，未KOH活化CA材料的吸附量增至2.2 mmol/g后保持不變。KOH活化后的CA-KOH2樣品在0.5 bar的低壓條件下具有2.14 mmol/g的吸附量，高壓下吸附量可增至16 mmol/g，這表明KOH活化生物質(zhì)是開發(fā)優(yōu)質(zhì)CO2吸附劑的有效方法。除CA-KOH2外，其余樣品均出現(xiàn)吸附平臺，表明了樣品表面的飽和吸附。同樣，從如下（b）圖可以看出Langmuir等溫線的線性擬合率在95%以上，這很好地驗證了Langmuir等溫線的適用性，也證明了CO2分子在吸附劑上的單層吸附特性?？傮w而言，這些材料的CO2吸附率遠(yuǎn)高于其他報道的非生物質(zhì)材料（如介孔氮化碳等），研究表明了廢棄生物質(zhì)用于CO2捕集的實用性。

(a)CO2 isotherm curves of activated CA at room temperature. (b)CO2 capture-Langmuir linear fitting curves.[2]

常州大學(xué)：氣體分離應(yīng)用

有機(jī)硅分離膜、二硫化鉬納米片改性有機(jī)硅分離膜及純二硫化鉬納米片對H2及N2的吸附能力如下圖所示。二硫化鉬納米片對H2的吸附能力是N2的60多倍。這是由于MoS2邊緣的原子通常處于不飽和配位態(tài)，H2可以因此被吸附。優(yōu)異的H2吸附性能使MoS2適合儲存H2，但其擴(kuò)散系數(shù)低，因此不適合單獨(dú)從N2或CO2中分離H2。而具有微孔網(wǎng)絡(luò)的BTESE在H2和N2之間表現(xiàn)出較大的擴(kuò)散差異，但H2的吸附量低于N2。在BTESE網(wǎng)絡(luò)中加入MoS2后，H2的吸附能力和擴(kuò)散能力均高于原始BTESE。由于H2被吸附在MoS2的活性邊緣，相鄰的原子允許氫原子遷移到表面的一些非活性位點，然后通過BTESE網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移，從而使H2在復(fù)合材料中的吸附能力和擴(kuò)散能力都有明顯增強(qiáng)。同時，引入MoS2的BTESE結(jié)構(gòu)更加致密，限制了材料對N2的吸附能力和擴(kuò)散能力。因此，MoS2和BTESE的協(xié)調(diào)作用有效實現(xiàn)了復(fù)合材料的高H2/N2分離性能。

 H2 and N2 adsorption isotherms of (a)BTESE gels, (b)0.05 wt% MoS2/BTESE gels, and (c)MoS2 tested at 100 °C. [3]

國儀量子H-Sorb 2600高溫高壓氣體吸附儀

高溫高壓氣體吸附儀可以實現(xiàn)材料在不同溫度及不同壓力環(huán)境下對H2、CO2、N2、O2、CH4等多種氣體的吸附能力以及分離能力檢測，可有效表征材料吸脫附特性與材料吸脫附溫度及壓力關(guān)系、吸脫附量以及吸脫選擇性等材料關(guān)鍵吸脫附氣體性能。

產(chǎn)品特點：

?全自動軟件控制

?全量測試項目（等溫線、動力學(xué)、TPD、循環(huán)測試等）

?溫度范圍：常溫-550 ℃，精度：± 0.1 ℃（可選配低溫測試系統(tǒng)）

?壓力范圍：真空-200 Bar，精度：0.01 %FS（可選配分級壓力檢測系統(tǒng)）

?數(shù)字量的壓力采集，減少噪聲誤差

?高集成度及系統(tǒng)精度，支持微量樣品（小于100mg）測量

?基體腔恒溫控溫，控溫范圍：室溫～50 ℃，控溫精度：± 0.1 ℃

助力成果目錄

1. Catalytic mechanisms of nickel nanoparticles for the improved dehydriding kinetics of magnesium hydride. Journal of Magnesium and Alloys（2023）

2. Multifunctional carbon aerogels from typha orientalis for applications in adsorption: Hydrogen storage, CO2 capture and VOCs removal. Energy（2023）

3. Laminar MoS2 Nanosheets Embedded into Organosilica Membranes for Efficient H2 Separation. Industrial & Engineering Chemistry Research（2023）

4. Adsorption and diffusion behavior of two-component gases in coal particles at different temperatures. Fuel（2023）

5. Nanoscale microstructures and novel hydrogen storage performance of as cast V47Fe11Ti30Cr10RE2 (RE = La, Ce, Y, Sc) medium entropy alloys. Journal of Alloys and Compounds（2022）

6. Modeling of diffusion kinetics during gas adsorption in a coal seam with a dimensionless inversion method. Fuel（2022）

7. Migration behavior of two-component gases among CO2, N2 and O2 in coal particles during adsorption. Fuel（2022）

8. Carbon dioxide adsorption of two-dimensional Mo2C MXene. Diamond & Related Materials（2022）

9. Design, synthesis, structure, and gas (CO2, CH4, and H2) storage properties of porous imine-linkage organic compounds. Materials Science for Energy Technologies（2022）

10. Micron-/nano-scale hierarchical structures and hydrogen storage mechanisms in a cast vanadium-based multicomponent alloy. Nano Energy（2021）

11. Gases migration behavior of adsorption processes in coal particles: Density gradient model and its experimental validation. Process Safety and Environmental Protection（2021）

12. Theoretical model and numerical solution of gas desorption and flow mechanism in coal matrix based on free gas density gradient. Journal of Natural Gas Science and Engineering（2021）

13. A permeability evolution model of coal particle from the perspective of adsorption deformation. Energy Science & Engineering（2021）

14. Synthesis and use of new porous metal complexes containing a fusidate moiety as gas storage media. Korean Journal of Chemical Engineering（2021）

15. Modeling of Gas Transport Driven by Density Gradients of Free Gas within a Coal Matrix: Perspective of Isothermal Adsorption. Energy & Fuels（2020）

16. Time- and Pressure-Independent Gas Transport Behavior in a Coal Matrix: Model Development and Improvement. Energy & Fuels（2020）

17. Synthesis of Novel Heteroatom-Doped Porous-Organic Polymers as Environmentally Efficient Media for Carbon Dioxide Storage. Applied Sciences（2019）

18. Inversion of gas permeability coefficient of coal particle based on Darcy's permeation model. Journal of Natural Gas Science and Engineering（2018）

19. Preparation of Ti3C2 and Ti2C MXenes by fluoride salts etching and methane adsorptive properties. Applied Surface Science（2017）

20. Layered double oxide/activated carbon-based composite adsorbent for elevated temperature H2/CO2 separation. International Journal of Hydrogen Energy（2015）

標(biāo)簽：高壓吸附表征技術(shù)