三维KIT-6分子筛建构介孔碳的制备及其限域LiBH4储氢性能的研究

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由于环境保护要求的日益提高,使清洁燃料的生产变得十分重要。氢能作为一种清洁的二次能源,具有环境友好的特性,这吸引了研究者们的广泛关注。固态材料储氢是通过化学反应或物理吸附将氢气储存于固态材料中,其能量密度高且安全性好,被认为是最有发展前景的一种氢气储存方式。本论文选择氢含量较高的LiBH4为研究对象,探索纳米限域对其储氢性能的影响。以P123为模板剂,正硅酸乙酯为硅源合成并优化了具有三维孔道结构的KIT-6分子筛,且当H+/SiO2=1.93、BuOH/SiO2=1.31、P123/SiO2=1.732、H2O/SiO2=195、晶化时间40 h和搅拌速度为600 rpm时,合成的KIT-6有序度最高。氮气吸附-脱附结果得到KIT-6分子筛比表面积733.3 m2/g,孔径6.3 nm,孔体积1.14 cm3/g。在此基础上,以KIT-6为模板,通过反相复制的方法得到了碳分子筛CMK-8,氮气吸脱附结果表明该材料比表面积926.0 m2/g,孔径5.3 nm,孔容1.34 cm3/g。再以碳分子筛作为载体,高温下熔融实现LiBH4和载体的相互作用,实现了LiBH4颗粒尺寸纳米化的目标。通过DSC测试拟合放氢反应的活化能,与单纯的LiBH4反应的活化能189 kJ/mol相比,限域后活化能减小为141 kJ/mol。纳米限域后LiBH4的动力学性能也得到明显提高,实现了在较低温度下的快速放氢,由实验数据得知,350℃,3000 s内,最大放氢量达到了2.4 wt.%;400℃,3000 s内,最大放氢量达到了3.5 wt.%,而相应条件纯LiBH4分别仅为1.0 wt.%和1.5 wt.%;值得一提的是LiBH4的可逆再吸氢性能得到了一定程度的提升:400℃,3000 s,最大吸氢量达到了4.2 wt.%,而纯LiBH4小于1.0 wt.%。该材料储氢性能的提高是因为实现了LiBH4纳米化,储氢材料和孔道的相互作用以及改善了其热力学和动力学稳定性。以三聚氰胺替代蔗糖,乙酸作为溶剂,同法成功制备了介孔氮化碳(MeC3N4),考察了氮元素掺杂的碳分子筛物化特性的改变及其对LiBH4储氢性能的影响。通过储氢性能的评价,当LiBH4:MeC3N4(质量比)=10:1进行纳米限域制备时,LiBH4的放氢温度大幅降低。
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