碳纳米管改性及其储氢性能研究

论文摘要

碳纳米管因其独特的结构作为一种新型的储氢材料而受到极大关注，国内外学者对其储氢性能的研究作了大量工作。在此基础上，本文对碳纳米管储氢性能进行了系统研究。首先，测试了单、多壁碳纳米管的储氢性能。其次，对碳纳米管进行机械球磨以提高其储氢性能，主要进行了如下研究：（1）分别在三种不同介质（空气、氩气、环己烷）中对碳纳米管进行球磨以改善其储氢性能；（2）对掺杂分子筛NaA、SBA-15的碳纳米管进行不同条件下的球磨，测试球磨后样品的储氢性能，进而讨论了分子筛种类、球磨介质和球磨时间对碳纳米管储氢性能的影响；（3）用碱金属K+修饰球磨后的碳纳米管以改善其储氢性能。采用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X-射线衍射（xRD）等手段考察了球磨前后碳纳米管外观形态、微观结构和表面信息的变化。研究结果表明：（1）单壁碳纳米管的储氢性能优于多壁碳纳米管。在77K、1.94MPa时，单壁碳纳米管储氢量为2.34wt.％。多壁碳纳米管的管径越小，储氢量越大，在77K、1.94MPa时，管径最小的多壁碳纳米管储氢量最大为2.20wt.％。（2）机械球磨提高了碳纳米管的储氢量。球磨使碳纳米管变短、开口，因此氢更容易进入碳纳米管内部。在相同球磨时间下，不同球磨介质中，碳纳米管的储氢量不同，如：在77K、1.9MPa，球磨时间为2h时，在空气中球磨的单壁碳纳米管储氢量为2.6wt.％，在氩气中为2.55wt.％，在环己烷中为2.48wt.％；多壁碳纳米管（10-20nm）在氩气中最佳球磨时间为6h，在环己烷中最佳球磨时间为8h。在相同球磨介质中，不同球磨时间下，样品的储氢量也不相同，如：多壁碳纳米管（10-20nm）在氩气中分别球磨2h、4h、6h时，它们在77K、2.0MPa时的储氢量分别为1.68wt.％、1.70wt.％、1.73wt.％。（3）在碳纳米管中掺杂分子筛NaA、SBA-15球磨可以提高其储氢量，掺杂SBA-15分子筛相对要好。球磨时间小于6h时，在氩气中球磨比在环己烷中好：77K、2.0MPa时，NaA+MWNTs在氩气中球磨4h后碳纳米管的储氢量为1.79wt.％；在相同条件下，NaA+MWNTs在环己烷中球磨4h后碳纳米管的储氢量为1.67wt.％。当球磨时间超过6h时，在环己烷中球磨更有利。适当延长球磨时间可以提高碳纳米管储氢量：在77K、2.0MPa时，NaA+MWNTs在环己烷中球磨2h后碳纳米管的储氢量为1.55wt.％，球磨8h后达到2.06wt.％。（4）用K+修饰碳纳米管可以提高其储氢量，且球磨之后再用K+修饰的样品储氢量较高：在77K、2.09MPa时，直接用K+修饰的样品储氢量为1.52wt％，球磨后再用K+修饰（搅拌4h）的样品储氢量为1.57wt％。球磨后碳纳米管在KNO3溶液中的搅拌时间越长，储氢量也相应增大：在77K、2.09MPa时，搅拌12h的样品储氢量达到1.68wt％。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 氢能
• 1.1.2 氢能的特点
• 1.1.3 氢的存储
• 1.1.3.1 氢的制取
• 1.1.3.2 氢的存储
• 1.2 碳纳米管及其储氢性能研究进展
• 1.2.1 碳纳米管的发现和分类
• 1.2.2 碳纳米管的制备、纯化和应用
• 1.2.2.1 碳纳米管的制备
• 1.2.2.2 碳纳米管的纯化
• 1.2.2.3 碳纳米管的应用
• 1.2.3 碳纳米管储氢实验研究方法
• 1.2.4 碳纳米管的储氢性能实验研究现状
• 1.2.4.1 单壁碳纳米管的储氢性能
• 1.2.4.2 多壁碳纳米管的储氢性能
• 1.3 选题背景和主要内容
• 第二章 实验研究方法、装置和样品表征
• 2.1 碳纳米管改性方法
• 2.2 碳纳米管的储氢性能测试方法及装置
• 2.2.1 测试系统的组成
• 2.2.2 实验方法
• 2.2.3 实验步骤
• 2.3 样品表征
• 2.3.1 XRD分析
• 2.3.2 SEM分析
• 2.3.3 TEM分析
• 2吸附-脱附'>2.3.4 低温N₂吸附-脱附
• 第三章 单壁及多壁碳纳米管的储氢性能
• 3.1 前言
• 3.2 碳纳米管的物理参数及表征
• 3.2.1 样品的物理参数
• 3.2.2 样品的表征
• 3.3 储氢性能测试
• 3.3.1 单壁碳纳米管储氢性能
• 3.3.2 不同管径多壁碳纳米管储氢性能
• 3.4 小结
• 第四章 机械球磨对碳纳米管储氢性能的影响
• 4.1 前言
• 4.2 样品制备及表征
• 4.2.1 样品制备
• 4.2.2 样品扫描电镜图（SEM）
• 4.3 储氢测试
• 4.3.1 单壁碳纳米管改性前后样品的储氢性能测试
• 4.3.1.1 初始单壁碳纳米管在77K下的放氢PCT曲线图
• 4.3.1.2 空气中球磨不同时间单壁碳纳米管的储氢性能
• 4.3.1.3 氩气中球磨不同时间单壁碳纳米管的储氢性能
• 4.3.1.4 环己烷中球磨不同时间单壁碳纳米管的储氢性能
• 4.3.1.5 不同球磨介质对单壁碳纳米管储氢性能影响
• 4.3.2 多壁碳纳米管改性前后样品的储氢性能测试
• 4.3.2.1 初始多壁碳纳米管在77K下的放氢PCT曲线图
• 4.3.2.2 空气中球磨不同时间多壁碳纳米管的储氢性能
• 4.3.2.3 氢气中球磨不同时间多壁碳纳米管的储氢性能
• 4.3.2.4 环己烷中球磨不同时间多壁碳纳米管的储氢性能
• 4.4 本章小结
• 第五章 掺杂分子筛对多壁碳纳米管储氢性能的影响
• 5.1 前言
• 5.2 样品制备及表征
• 5.2.1 样品制备
• 5.2.2 样品表征
• 5.3 储氢测试
• 5.3.1 初始样品MWNTs、NaA和SBA-15的储氢性能
• 5.3.2 掺杂NaA分子筛多壁碳纳米管的储氢性能
• 5.3.3 掺杂SBA-15多壁碳纳米管的储氢性能
• 5.4 本章小结
• +修饰多壁碳纳米管储氢性能'>第六章 K⁺修饰多壁碳纳米管储氢性能
• 6.1 前言
• 6.2 样品制备及表征
• 6.2.1 样品制备
• 6.2.2 样品表征
• 6.3 储氢测试
• 6.3.1 A和B的储氢性能
• +修饰碳纳米管的储氢性能'>6.3.2 K⁺修饰碳纳米管的储氢性能
• 6.4 本章小结
• 第七章 主要结论及展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 展望及建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表学术论文