活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　利用吸附存儲天然氣是一種節能的技術，可用于在低壓和室溫下儲存天然氣。通過活性炭吸附儲存天然氣與液化天然氣和壓縮天然氣技術相比具有多種優勢。活性炭是一種吸附材料，在水處理，廢氣處理，化學凈化，氣體分離，溶劑回收和儲能等方面具有多種應用。利用吸附存儲甲烷主要是活性炭在存儲和運輸中提供了諸如在給定氣體密度下降低氣體燃料箱的操作壓力和在給定壓力下增加甲烷存儲容量的優點。

　　用于儲存甲烷的活性炭結構

　　活性炭的復雜結構可以描述為沿隨機方向取向的石墨烯層的三維網絡，本期我們開發了一個新的微孔結構模型。研究在不同的工藝下得出孔隙率，骨架密度，比表面積和每單位體積之間的結構關系。并測試在室溫下活性炭對超臨界甲烷的體積儲存容量與重量儲存容量之間的關系。所提出的活性炭模型考慮了活化程度。完整的活化方法導致單層石墨烯片以隨機方向排列。圖1顯示了活化劑與原材料比為3：1的活性炭掃描透射電子顯微鏡(STEM)顯微照片。進一步的侵蝕性活化導致石墨烯片的尺寸減小和比表面積增加。與無限大的石墨烯片相比，額外的表面積由截斷的石墨烯片的邊緣位置產生。部分活化方法導致部分活化，石墨烯層和非活化組分的組合導致較低表面積和0.52的粒狀孔隙率。

　　圖1：完全活化的活性炭與部分活化活性炭的STEM顯微照片。

　　以前提出的活性炭微孔率模型將表面積和孔隙率作為兩個獨立變量處理。通過將石墨烯片的長度限制在100和180之間，并通過改變石墨中石墨烯層的平均數量，我們計算孔隙率和比表面積之間的關系。圖2顯示了孔隙率和表面積之間的關系。

　　圖2：活性炭的比表面積與孔隙率之間的關系。

　　活性炭的重量與體積與甲烷儲存的關系

　　經過測試發現活性炭的重量過量吸附與比表面積成正比。然而，對于儲氣應用，重量和體積儲存容量是重要的指標。圖3圖2顯示了兩種不同的活性炭過量吸附，重量儲存容量和體積儲存容量與孔隙度的關系。第一個模型將孔隙度和特定表面視為兩個獨立變量，而第二個模型將它們視為依賴變量。第一個模型表明，過量吸附與孔隙度無關，通過增加孔隙率來增加重量存儲容量，而通過增加孔隙率來減小體積存儲容量。通過將孔隙率和表面積作為兩個因變量處理，重量過量吸附和重量存儲容量通過增加孔隙率而增加。

　　圖3：活性炭的重量和體積儲存容量之間的關系。

　　圖4顯示了兩種活性炭的重量和體積存儲容量之間的相互依賴性。實驗吸附測量與第二模型一致，將孔隙率和表面積作為因變量處理。經過對比活性炭樣品的實驗性過量吸附，重量儲存容量和體積儲存容量。圖3和圖4將理論模型與實驗數據進行比較。它表明，所開發的模型是通用的，并預測任何活性炭樣品的重量和體積儲存容量之間的相互依賴性。結果也適用于金屬有機骨架。雖然實驗結果比較好的活性炭不具有較高的表面積，但孔隙率在0.65和0.75之間。通過使用化學粘合劑將活性炭粉末壓縮成整料，實現了更高的體積儲存容量。整體的體積儲存容量使用整體式整體密度而不是活性炭的表觀密度或金屬有機框架材料的單晶密度來計算。

　　圖4：活性炭的體積和重量存儲容量在相同條件下之間的相互依賴性。

　　我們這次開發的微孔度模型，考慮了活性炭中的活化程度。通過結合高分辨率STEM和亞臨界氮吸附，研究了孔隙率與比表面積之間的相互依賴性。該模型預測了體積儲存容量與室溫下超臨界甲烷的重量儲存容量之間的關系。此外，該模型顯示體積儲存容量在活性炭為于孔隙率為0.73時，能實現較大的甲烷儲存量。

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