[發(fā)明專利]氟摻雜多孔碳納米纖維負載堿金屬儲氫材料的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201911069139.0
• 申請日: 2019-11-05
• 公開（公告）號: CN110844880B
• 公開（公告）日: 2021-07-16
• 發(fā)明（設計）人: 陳曉紅;薛志勇;曾宏;張永明;武英;任宇
• 申請（專利權）人: 華北電力大學;北京華電新能源電工材料研究院有限公司
• 主分類號: C01B3/00
• 分類號: C01B3/00;C01B32/15;B22F9/24;D01F1/08;D01F1/10;D01F8/08;D01F8/10
• 代理公司: 北京國林貿(mào)知識產(chǎn)權代理有限公司 11001
• 代理人: 李富華

本發(fā)明公開了屬于儲氫技術領域的一種氟摻雜多孔碳納米纖維負載堿金屬儲氫材料的制備方法；該方法通過靜電紡絲法、水熱法制備多孔納米纖維；然后將多孔PAN/PFSA納米纖維與堿金屬溶液進行置換，形成鋰/鈣?多孔PAN/PFSA納米纖維，通過煅燒制備比表面積大、氟摻雜、堿金屬均勻分散在多孔碳納米纖維復合的儲氫材料。堿金屬與多孔碳納米纖維有利于提高質(zhì)量儲氫密度，氟摻雜不僅有利于復合材料的質(zhì)量儲氫密度，還能降低其脫氫溫度，實現(xiàn)了其可逆吸放氫。本多孔碳納米纖維負載堿金屬儲氫材料應用在燃料電池、鋰離子電池和超級電容器中；還可以作為碳載堿金屬催化劑使用。

技術領域

本發(fā)明屬于儲氫技術領域，特別涉及一種氟摻雜多孔碳納米纖維負載堿金屬儲氫材料的制備方法；具體說是一種氟摻雜多孔碳納米纖維負載堿金屬儲氫材料及其制備方法和在儲氫領域中的應用

背景技術

隨著社會發(fā)展，日益嚴重的空氣污染和有限的傳統(tǒng)能源增強了尋找可持續(xù)和可再生能源的機遇。氫能是理想的能源之一，它潔凈、無毒且豐富。然而，高效、安全儲氫是氫能規(guī)模化應用的主要瓶頸。因此，尋求高效、安全、穩(wěn)定的儲氫材料已經(jīng)成為近年來氫能研究的熱點和難點。目前已有的儲氫方法有很多，如高壓儲氫、低溫液化儲氫、金屬氫化物儲氫、金屬有機框架材料和固體吸附劑儲氫等方法。近年來，碳基納米吸附材料因其獨有的電子特性、質(zhì)量輕、表面積大及儲氫安全和高吸放氫氣性能等特點，引起了研究者的極大興趣。這類儲氫材料有碳納米管、富勒烯、石墨烯及碳納米纖維等。純碳基納米材料與氫氣之間主要是通過范德華力、靜電場力等進行物理吸附，從而達到儲氫。然而，純碳納米材料對氫的吸附比較弱，儲氫量也比較低，遠遠未能達到實際應用的需求。

目前，主要采用異質(zhì)原子及堿金屬來負載或摻雜碳基納米材料作為儲氫材料，包括：

（1）異質(zhì)原子氮（N）和氟（F）摻雜的碳基納米材料。N原子摻雜到多孔碳材料中可提高相鄰碳的氫氣吸附能，使其儲氫密度比純碳材料高出18%，極大的提高了其儲氫性能。同樣，F(xiàn)原子摻雜到碳材料后，因其高電負性及相鄰碳原子的電子排布改變，形成具有sp²雜化的碳結構離域共軛體系，使其與氫氣吸附變強從而提高其儲氫性能。但F-摻雜碳材料中，因其摻雜難度大導致其摻雜量低，限制了其儲氫性能。因此，可靠又穩(wěn)定的氟源及比表面積大的碳基材料是此類儲氫材料的關鍵。

（2）堿金屬負載在碳基納米材料。堿金屬由于其內(nèi)聚能及原子質(zhì)量小，堿金屬負載的碳基納米材料和氫分子之間作用增強，達到較高的儲氫量及較低的脫氫溫度，引起研究者的極大興趣。堿金屬的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：（i）儲氫性能增加。堿金屬Li、Na和Ca負載在碳基納米材料，其儲氫性能得到明顯提高。將Ca負載在三維（3D）多孔石墨烯后，在一定的溫度和壓力下，其儲氫密度可達到5-6wt%。（ii）脫氫溫度降低。de Jong等將NaAlH₄負載在碳納米纖維后，與純碳納米纖維相比，不僅其吸氫脫氫性能得到明顯提高，其脫氫溫度還下降至160 ^oC。[9]特別值得注意的是，將F原子摻雜到NaMgH₃，可降低其形成焓及反應焓，從而改變了熱力學性質(zhì)，有利于放氫，導致脫氫溫度下降。因此F原子不僅能夠摻雜到碳基材料中，提高其儲氫量，還可摻雜到堿金屬中，降低其脫氫溫度。

然而，堿金屬負載在碳基納米材料后的結合能比堿金屬晶體小，所以，在實際應用中會導致堿金屬在納米材料表面容易團聚，使得儲氫量大大降低。因此，研究設計一種碳基材料的制備方法，既能提高F原子的摻雜量，也使堿金屬原子負載在該碳基材料上不易團聚，并均勻分散在其中，用于提高質(zhì)量儲氫密度及降低脫氫溫度。因此，堿金屬負載的F-摻雜碳基納米材料是一類有較大潛力的儲氫材料。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種氟摻雜多孔碳納米纖維負載堿金屬儲氫材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

（1）將聚丙烯腈（PAN）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）及全氟磺酸（PFSA）粉末浸入到N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中，將該混合體系常溫下攪拌20~48小時；