沸石模板碳的电化学嵌氢性能的研究开题报告

全文总字数：10656字

1. 研究目的与意义（文献综述）

1．目的及意义（含国内外的研究现状分析）

在全球范围内，通过提高效率和降低成本，以及在减轻气候变化影响的需求的推动下，可再生能源的加速使用大大促进了可再生能源生产、存储、分配和最终用途领域的研究^[1]。欧盟委员会将氢气描述为一种能源载体，“在稳定、便携和运输应用等方面具有清洁高效的巨大潜力与优势”。确实，目前氢不仅在欧洲而且在全球都受到前所未有的关注，并且有作为清洁能源实现可再生能源解决方案的巨大潜力^[2]。

氢燃料运输的增长应用始于20世纪，是诸如阿波罗11号登月动力等重大技术突破的开始。对氢作为车用燃料的兴趣可以追溯到1800年，而在1970年代，随着石油危机和1980年代的技术进步，这种兴趣逐渐增加。这些年来，它已用于从气球飞行到火箭推进的各个领域^[2]。然而氢存储仍然是推出基础设施以支持氢燃料运输的主要挑战。

2. 研究的基本内容与方案

2．研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的研究路线

2.1 研究（设计）的基本内容

查阅有关合成沸石模板碳材料（ZTC），并利用物理、化学、电化学等方法研究该沸石模板碳材料的电化学储氢容量、储氢稳定性以其它电化学储能性能的研究的文献进行综述。

2.2 目标

以所查阅的相关文献为基础，总结合成沸石模板碳的一般经验，结合储氢、电化学电容以及电池方面的应用对迄今所合成的ZTC进行阐述。综述以能够在实际应用中发挥作用为前提，对ZTC的性能要求以及最优化的合成方法。最后对ZTC在实际应用领域提出看法与展望。

2.3 拟采用的研究路线

2.3.1 沸石模板碳（ZTC）材料的合成

以所阅文献为借鉴，得出ZTC的代表性制备方法如下图所示^{[13, 19, 29]}：

1) 首先，将碳引入沸石的纳米通道中。具体方法可以分为①浸渍碳化法；②化学气相沉积（CVD）；③两步法，即为①和②的结合。

2) 然后将所得的沸石/碳复合物用HF水溶液（有文献报道使用NaOH-HCl连续处理去除模板，此方法目的在于安全且在水性电容器中具有更好地表现^[30]）洗涤以除去沸石。

3) 最后，过滤干燥，获得ZTC作为残余物。

具体的合成方法：

1) 将约6.0 g NaY沸石在石英管中在真空下于350℃干燥8小时；冷却至室温后，然后在减压下通过注射添加30mL糠醇（FA）。

2) 然后，通过将N₂引入系统，将系统压力增加到大气压。将混合物在N₂中搅拌24小时。通过在空气（尼龙膜）中真空过滤收集沸石-FA混合物，然后用100mL的二甲苯等分试样洗涤4次以除去沸石粉末外表面上的FA。然后将浸渍有FA的沸石放入石英舟中，该石英舟插入内径为50cm的卧式石英管炉反应器中。

3) 用Ar气流（200 mL min^-1）吹扫反应器，并在80℃下保持24 h。FA的聚合在150℃下进行8小时。之后，在Ar气流（200 mL min^-1）下，以5℃ min^-1的升温速率将反应器温度升至700℃，然后将气流切换为丙烯/N₂混合物（7 vol％，200 mL min^-1）。4小时后，将流量切换回Ar流量（200 mL min^-1），并在Ar流量（200 mL min^-1）下将温度升至900℃，并保持3 h。

4) 冷却至室温后，将NaY/碳复合材料浸入过量的混合酸溶液（0.4 M HCl/0.75 M HF）中。

5) 通过过滤收集ZTC，用去离子水和乙醇洗涤，并在120℃下干燥过夜。

在本综述中将从以下角度对合成的ZTC进行比较分析^[20]：

①沸石模板的性质：沸石骨架的选择；沸石的Si/Al比；沸石的阳离子类型。

②合成路线：碳前驱体的选择；将碳引入沸石的方式；后续的热处理方式。

2.3.2 沸石模板碳材料的电化学储氢

2.3.2.1 电化学储氢机理^{[6, 7, 31]}

将体积氢密度提高到液态氢水平的一种方法是将氢分子解离，并与紧密结合或电子转移到主体材料上。已发现电化学产生的氢的存储在多组分金属氢化物合金中具有广泛的应用。许多金属和合金都能够可逆地存储大量的氢，并且在过去的40年中，人们对该系统进行了广泛的研究。氢填充可以使用分子氢气完成，该分子氢气在表面解离成为吸附的H原子，或从水性电解质电化学生成的吸附的H原子。然后，吸附的H原子扩散到氢化物材料的基质中，并停留在四面体或八面体间隙位置。释放后，储存在间隙位置的原子氢在颗粒表面位置重组形成分子氢。然而，最有效的金属氢化物是由相对较重的元素（例如Ni，Co和La）制成的，常规氢化物的重量存储容量小于2 wt％，这大大低于能源部（DOE）的目标是6.5 wt％。元素较轻的合金中，还研究了镁的更高的重量存储容量（3–7 wt％），但由于热力学原因，它们仅在高温（> 500℃）下释放氢。氢释放的动力学方面可以通过纳米结构和添加催化剂来改善，由此热力学保持不变。另外，中低温度化学氢化物，氮化物和酰亚胺，包括MAlH₄，MBH₄，Li₃N等，引起了广泛的关注，这些材料中可以存储大量的氢气，并且使用催化剂，可以在几乎日常环境条件下轻松释放氢气。尽管具有这些优点，但仍然存在两个主要障碍：首先，氢的生成不可逆且时间长，并且可能涉及基于溶剂的合成过程以重新生成化合物；其次，需要适应较大的体积变化（15–25％）。

已经用于电化学储氢的金属氢化物合金重，昂贵且不稳定。由于良好的电导电性和重量轻的优势，在阴极极化的碳电极上进行水的电分解过程中的氢吸附是一种在常温常压下储氢的可行方法。

下图示出了活性炭的结构和H嵌入的可能机理。高表面积碳中有缺陷的石墨烯层域的结构为氢的容纳提供了微单元。高表面积无定形碳由小的六角形碳环组成，这些碳环被称为“石墨烯层”。由不同的前体和通过不同的制备方法制得的碳材料具有不同的尺寸取向，并且其有缺陷的微石墨烯片的堆叠也不同。大多数电化学产生的原子氢驻留在有缺陷的石墨烯层的层间空间和由有缺陷的活性炭单碳片形成的纳米孔中。这种氢中的少数被化学吸附到边缘或基础取向的表面上。石墨烯层域边缘取向上的氢能够扩散到层间空间中，而吸附在基础层上的氢则保留在表面上。由于石墨烯片在无定形碳中的缺陷性质，在缺陷部位原子氢在基层上将获得稳定的吸附。

H电化学嵌入石墨烯层微区的层间结构的图示

2.3.2.2 电化学储氢容量测量^[32]

纳米碳材料的电化学储氢过程与金属储氢原理相似。是将纳米碳材料做成工作电极,与辅助电极构成一个回路,加上参比电极,组成三电极体系。纳米碳材料电极发生的反应为：

C xH₂O xe^-=(C xH) xOH^-

充电时, 纳米碳材料电极一侧的电解液中的水离解成氢, 进入纳米碳材料孔内。放电时纳米碳材料释放的氢与氢氧根离子结合形成水分子。在这个反应中伴随有电荷的迁移, 纳米碳材料每吸附一个氢原子,对应的就有一个电荷迁移, 因此,我们可以通过测量反应过程中电荷的迁移量, 得出纳米碳材料的电化学储氢容量。

2.4. 实验方案：

通过阅读、理解近年文献报道，对沸石模板碳材料（ZTC）的合成，电化学储氢容量、储氢稳定性以其它电化学储能性能进行综合分析、归纳整理，并提出自己的见解进行综述。

文献将涵盖近年发表的不少于50篇的的中英文文献，其中英文文献不少于10篇（近5年英文参考文献不少于3篇）

3. 研究计划与安排

3．进度安排

3月25号前，完成开题报告和外文翻译任务，并在在毕业设计管理系统上提交；4月15日前，利用QQ向指导老师汇报已完成部分的情况；5月25号前，学生根据实际进展，在4月15日，5月1日和5月20日，完成3次阶段性成果报告；5月31日前，学生完成并修改毕业论文，在毕业设计管理系统上提交毕业论文；6月8日前，参加并完成论文答辩。

4. 参考文献（12篇以上）

4．阅读的参考文献不少于15篇（其中近五年外文文献不少于3篇）

[1] ali eftekhari, b.f., electrochemical hydrogen storage:opportunities for fuel storage, batteries, fuel cells, and supercapacitors. hydrogen energy publications, 2017. 42:p. 25143-25165.

[2] hirscher michael, et al., materials for hydrogen-based energy storage– past, recent progress and future outlook. journal of alloys andcompounds, 2020. 827.