海泡石矿物储氢材料及其制备方法.pdf

背景技术

随着化石燃料消耗逐渐增大和储量的日渐枯竭，以及人们对环境保护的日益重视，
人们越来越渴望使用环境友好而又可再生的能源。目前，人们最寄希望的是氢能。但发
展氢能，首要攻克的是氢的规模储运这一大瓶颈。当前，固体吸附剂储氢，如多矿物储
氢(Weitkamp，J，et al，1995；Hahne，E，et al.，1996)、碳纳米管储氢(Dillon，A.C，et al.，
1997)等，因其工作压力低、储存容器重量轻、形状选择余地大等优点，成为当前人们
开发和研究的热点之一。

目前，矿物储氢的研究较多地集中在石墨及沸石等矿物的储氢。前者包括石墨及其
插层化合物储氢等。但近年研究表明，石墨的储氢量通常很低(Nijkamp，M.G，et al.
2001)，这可能是因为其层间距(0.334nm)与氢分子的动力学直径(0.289nm)过于接
近，而且其层间又为惰性，对氢缺乏吸引力，导致氢难以进入层间储存的结果。此外，
层间断面存在的较多不饱和键，可能会对氢产生极化作用，使氢在层间断面位置堆积，
结果也会阻碍后续的氢进入层间。石墨插层化合物的储氢容量与石墨相比，其储氢量虽
有所提高(Ichimura，K，et al.1992)，但与碳纳米管(Liu，C，et al.，1999)、活性碳(周理，
等，2000)等多孔碳素材料相比，其储氢容量仍是较低的。

沸石是一种多孔铝硅酸盐矿物，包括天然沸石(如丝光沸石、浊沸石等)和合成沸
石(如A型、X型、Y型等)两种。沸石通常具有独特的笼形(如α笼、β笼等)孔隙，
这些笼形孔隙被认为是一种天然良好的氢存储单元。理论和实验研究表明(Darkrim，F，
2000)，在70-90MPa压力条件下，沸石的每个α笼可吸附2～2.5个氢分子。Weitkamp等
人(1992，1995)对具有不同可交换阳离子的A型沸石进行了储氢容量的实验研究，结
果表明，除CsA沸石外，含K⁺、Na⁺、Rb⁺等可交换阳离子的A型沸石分别都具有一定
的储氢能力，在压力为2.5～10MPa、温度为300K的条件下，储氢容量达到5.7cm³/g。

本发明所述的海泡石，理想构造式为Mg₈Si₁₂O₃₀(OH)₄(OH₂)₄·8H₂O，或
Mg₈Si₁₂O₃₀(OH)₄·12H₂O，与坡缕石同属层链状富镁硅酸盐粘土类矿物。矿物晶体习性通常为
棒状、纤维状等形态。海泡石通常具有比表面积大、物理吸作用强烈、化学性质稳定等
特征，因此被广泛用作固体吸附剂或分子筛，用于Pb²⁺、Cd²⁺等重金属离子(Garcia S A，
et al.，1999；陈昭平等，1999；Prigatti M F，et al.，2001)，NO₂、SO₂、NH₃等有害气体(张
春霞等，1991；王继辉等，1994；Matsudu T et al，2002)，以及吡啶、甲苯等有机气体(李
平等，1996)的吸附等。海泡石矿物结构如附图1所示，由于2∶1层型结构单元中四面
体活性氧指向周期性地上下作180°倒转，使八面体片不连续，从而构成了独特的、不同
于沸石的、沿X轴定向延伸的链条及孔道。链条中包括8个八面体位置，形成的孔道极
为规则且相互平行，在横截面上呈“蜂巢”状。其单个孔道截面积为0.37×1.06nm²，大
于坡缕石的孔道尺寸(0.37×0.64nm²)及石墨的层间距，因此可容纳较多的水分子和可
交换大离子。根据计算，海泡石的比表面积为800～900m²/g，其中内表面积～500m²/g，
外表面积～400m²/g(Serna，et al.，1978)，均大于坡缕石的表面积。此外，与沸石类似，
海泡石矿物的孔道内表面也具有较强的极性，它们强烈吸附阳离子、极性分子或易于产
生诱导偶极的吸附质分子进入孔道。总之，海泡石矿物具有比表面积大、微孔独特且孔
道内表面具极性等特征对储氢是有利的。而且与多孔碳素储氢材料(如活性碳、纳米碳
纤维、碳纳米管等)相比，海泡石还具有资源丰富，生产成本低廉等无可比拟的优势。