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氢气吸附的测量方法和应用

阅读次数:1398 发布时间:2017/6/19 13:51:57

氢气吸附的应用和实验要求
氢的储存和燃料电池的应用开发需要恰当和准确的方法,因此,设计可以氢气贮藏和分离的多孔材料的表征方法是非常重要的。
由于在室温下,氢气处于超临界状态(这是氢气存储应用的客观条件),只能通过提升压力来增加储氢量。然而,在低于大气压的压力下进行氢吸附实验,仍然可以提供关于吸附剂的储氢潜能的重要信息。多孔材料能在其微孔中富集氢气等气体分子,在很大程度上取决于孔径和所谓的超微孔(孔径<0.7nm)。现在已经能够通过微观的方法来分析氢吸附数据,得到关于超微孔大小和分布的信息。
氢吸附等温线:
见左图所示。在环境温度下,典型的常压H 2吸附量是比较低的,但降低温度后,吸附量显著提高。在不同温度下测得的吸附数据可以用来计算吸附的等量吸附热(Q ST )。计算该热力学函数的是著名的克劳修斯- 克拉贝龙方程(Clausius-Clapeyronequation),它不需要任何微观模型。从活性碳纤维ACF10的氢吸附等温线可以计算出Q ST ,然后将吸附热与吸附量的函数关系作图,见图96-2。Q ST 图与吸附能量分布有关,是H 2 分子和各种固体吸附部位之间相互作用能量的定性描述。 Q ST 图还可以用于比较不同的材料的吸附性能。 吸附热高的材料具有宽泛的吸附量范围,在环境温度下会显示较高的吸附能力。
超微孔的分析应用:
多孔材料的孔结构一般用孔径分布(PSD)表征。我们一般都是在77K进行氮吸附,测得吸附等温线后再进行分析的。然而,因为孔径的限制或由于非常缓慢的扩散过程,其它分子无法进入H 2能进去的部分孔道。因此,人们自然想到用H 2 直接作为吸附气体进行多孔材料的PSD分析。这样做是可行的,将密度泛函理论(DFT)应用于多孔碳材料氢吸附等温线的PSD分析,已取得初步成果。由氢气测得的这种碳材料的孔体积比用氮气测得的大,因为对一部分超微孔,H 2 能够进入,而N 2 进不去,所以,N 2 吸附造成部分超微孔的孔道信息缺失。
在低于大气压力下, 各种温度下的氢吸附数据可以为多孔材料的表征提供定量和/或定性的信息,进而反映出储氢材料适用性。 虽然已经有商品的Cryocooler低温恒温系统 (温度从20K到320K变温)供应,但*方便的实验还是在77K和87K下测量氢吸附等温线。对于微孔材料,氢气在绝对压力约10 -4 atm时开始能看到吸附。
必须注意的是,氢的临界温度约为33K。因此,无论在液氮(77K)或液氩(87K)温度,还是在室温下,测量都是在超临界条件下进行的。在这样一个条件下,不存在饱和压力P 0 的定义,所以,不可能进行传统的BET分析了(即截面积值是无意义的)。
为了测量在该压力范围内的吸附,应该选择具有微孔能力测定的仪器,并在软件中进行一些特定的设置和调整,以适用于H 2 的测量:超临界条件下, 没有 P 0 可用。 实际上, 用户应该在物理吸附分析参数窗口中选择 “输入 P 0 ” :760mmHg。在这种情况下,等温线的压力值(横轴坐标)将以大气压(atm)来表示。
II 对于非理想气体校正因子,应使用以下单位以(torr)-1表示的值:
a) 2.2x10-6 @77K
b) 1.2x10-6 @87K 
c) 1.0x10-7 @273K
III 软件需要输入一个横截面积参数值(只有温度低于临界温度时,才有意义) 。我们建议使用 12.3Å2 /molecule.
IV 与氮气或氩气相比,因为氢气具有较低的粘度,建议设置氢气钢瓶的调节器压力为6psig,而不是在氮气情况下的10psig。 

原创作者:贝士德仪器科技(北京)有限公司

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