Aké sú výzvy pri používaní aktívneho uhlia na skladovanie vodíka?

Vodík sa ukázal ako sľubný nosič energie kvôli svojej vysokej hustote energie a potenciálu na zníženie emisií skleníkových plynov. Aktívny uhlík, s veľkou povrchovou plochou a pórovou štruktúrou, sa považuje za kandidátsky materiál na skladovanie vodíka. Ako dodávateľ aktívneho uhlia som bol svedkom potenciálu a výzvy spojených s používaním aktívneho uhlia na skladovanie vodíka. V tomto blogu budem diskutovať o niektorých kľúčových výzvach v tejto oblasti.

1. Nízka kapacita skladovania vodíka

Jednou z najvýznamnejších výziev pri používaní aktívneho uhlíka na skladovanie vodíka je jeho relatívne nízka skladovacia kapacita. Molekuly vodíka sú malé a majú slabé interakcie s povrchom uhlíka. Pri okolitých podmienkach je fyzická vodíka na aktívnom uhlí obmedzená. Skladovacia kapacita je určená hlavne povrchovou plochou a objemom pórov aktívneho uhlíka. Aj keď aktívny uhlík môže mať veľmi vysokú plochu povrchu, často presahujúcu 1000 m²/g, množstvo vodíka, ktoré sa dá skladovať na jednotku hmotnosti alebo objemu aktívneho uhlia, je stále ďaleko od požiadaviek na praktické aplikácie.

Napríklad v mnohých prípadoch je kapacita skladovania vodíka aktívneho uhlíka pri teplote miestnosti a mierny tlak iba niekoľko desatín percenta podľa hmotnosti. To je oveľa nižšie ako ciele stanovené ministerstvom energetiky USA (DOE) pre systémy na skladovanie vodíka, ktoré vyžadujú gravimetrickú kapacitu najmenej 5,5% hmotn. A objemovú kapacitu 40 kg/m³.

Na zlepšenie úložnej kapacity sa preskúmali rôzne metódy. Jedným z prístupov je modifikácia povrchovej chémie aktívneho uhlia. Zavedením heteroatómov, ako je dusík, kyslík alebo síra do uhlíkovej štruktúry, je možné zvýšiť interakciu medzi vodíkom a uhlíkom. Ďalšou metódou je použitie kovového dopingu. Kovy ako paládium, platina a nikel môžu adsorbovať vodík a prenášať ho na uhlíkový povrch, čo potenciálne zvyšuje celkovú skladovaciu kapacitu. Tieto metódy však často čelia výzvam, pokiaľ ide o náklady, stabilitu a škálovateľnosť.

2. Požiadavky na vysoký prevádzkový tlak a nízka teplota

Fyzisorpcia vodíka na aktívnom uhlíku je vysoko závislá od teploty a tlaku. Na dosiahnutie primeranej skladovacej kapacity sa zvyčajne vyžadujú vysoké tlaky a nízke teploty. Pri teplote miestnosti je absorpcia vodíka na aktívnom uhlíku veľmi nízka a významné skladovanie sa dá dosiahnuť iba pri tlakoch nad 10 MPa. Na druhej strane zníženie teploty môže zvýšiť adsorpčnú kapacitu vodíka, ale vyžaduje si aj ďalšiu energiu na chladenie.

Potreba vysokotlakových a nízkoteplotných podmienok predstavuje niekoľko výziev. Po prvé, výroba a prevádzka vysokotlakových skladovacích systémov sú drahé. Vyžadujú silné a spoľahlivé kontajnery, aby odolali vysokým tlakom, čo zvyšuje náklady a hmotnosť úložného systému. Po druhé, energia potrebná na chladenie systému na nízke teploty znižuje celkovú energetickú účinnosť procesu skladovania a využívania vodíka.

V prípade praktických aplikácií, napríklad vo vozidlách palivových článkov, je žiaduce mať systém skladovania vodíka, ktorý môže pracovať v takmer ambientných podmienkach. Vývoj aktívneho uhlíka, ktoré môžu ukladať vodík pri nižších tlakoch a vyššie teploty, je hlavnou výskumnou výzvou. Niektorí vedci skúmajú použitie nových poréznych štruktúr a povrchových modifikácií na oslabenie interakcie vodíka uhlíka pri vysokých teplotách a zároveň zachovávajú primeranú skladovaciu kapacitu.

3. Kinetika adsorpcie a desorpcie vodíka

Ďalším dôležitým faktorom je kinetika adsorpcie vodíka a desorpcie na aktívnom uhlíku. V praktickom systéme skladovania vodíka musí byť vodík počas procesu plnenia rýchlo adsorbovaný a keď je energia potrebná, rýchlo sa desorbuje. Adsorpčné a desorpčné procesy na aktívnom uhlíku však môžu byť relatívne pomalé, najmä pri nízkych teplotách a vysokých tlakoch.

Pomalá kinetika je spôsobená hlavne difúziou molekúl vodíka v poréznej štruktúre aktívneho uhlia. Veľkosť malých pórov a komplexná sieť pórov môžu brániť pohybu molekúl vodíka, čo vedie k dlhej adsorpčnej a desorpčnej dobe. Na zlepšenie kinetiky je potrebné optimalizovať štruktúru pórov aktívneho uhlia. Napríklad vytvorenie hierarchických pórových štruktúr s mikro -pórmi a mezo - pórmi môže poskytnúť rýchlejšie difúzne dráhy pre molekuly vodíka.

Kinetika môže navyše ovplyvniť aj povrchová chémia aktívneho uhlia. Prítomnosť funkčných skupín na povrchu uhlíka môže buď podporovať alebo inhibovať adsorpčné a desorpčné procesy. Skúmajú sa povrchové modifikácie, ktoré môžu zvýšiť mobilitu molekúl vodíka na povrchu uhlíka, aby sa zlepšila kinetika.

4. Trvanlivosť a stabilita

Trvanlivosť a stabilita aktívneho uhlia počas opakovanej adsorpcie a desorpcie vodíka sú rozhodujúce pre jeho dlhodobé použitie v aplikáciách na ukladanie vodíka. Počas procesu cyklistiky sa štruktúra aktívneho uhlia môže zmeniť v dôsledku faktorov, ako je mechanické napätie, tepelná cyklovanie a interakcia s vodíkom.

Napríklad vodík s vysokým tlakom môže spôsobiť expanziu a kontrakciu aktivovaných uhlíkových pórov, čo v priebehu času vedie k štrukturálnemu poškodeniu. Prítomnosť nečistôt v plynnom vodíku, ako je vlhkosť, kyslík a zlúčeniny síry, tiež môže reagovať s aktívnym povrchom uhlíka a degradovať jeho výkon.

Udržiavanie stability aktívneho uhlia vyžaduje správny výber a ošetrenie materiálu. Výber aktívneho uhlia s vysokým stupňom grafitizácie a stabilná štruktúra pórov môže zlepšiť jej odolnosť voči mechanickej a chemickej degradácii. Okrem toho vývoj metód čistenia na odstránenie nečistôt z plynu vodíka môže pomôcť chrániť aktívny uhlík a predĺžiť jeho životnosť.

5. Cena a škálovateľnosť

Náklady sú hlavnou úvahou pri komercializácii aktívneho uhlíka na skladovanie vodíka. Výroba vysoko kvalitného aktívneho uhlia s požadovanou štruktúrou pórov a povrchovými vlastnosťami môže byť drahá. K nákladom prispievajú suroviny, procesy aktivácie a kroky po ošetrení.

Napríklad niektoré z aktívnych materiálov s vysokým výkonom sú vyrobené z drahých prekurzorov, ako sú kokosové škrupiny alebo syntetické polyméry. Proces aktivácie, ktorý zvyčajne zahŕňa vysoké teplotné spracovanie chemikáliou alebo plynmi, si tiež vyžaduje významnú energiu a zdroje.

Okrem nákladov je škálovateľnosť ďalšou výzvou. Na uspokojenie veľkého rozsahu dopytu po skladovaní vodíka na trhu s energiou je potrebné vyvinúť výrobné procesy, ktoré je možné ľahko zväčšiť. Zložitá úloha je tiež zabezpečenie konzistentnej kvality a výkonu aktívneho uhlia vo veľkom meradle.

Ako dodávateľ spoločnosti Activované uhlie ponúkame rôzne výrobky, ktoré môžu mať potenciálne aplikácie vo výskume ukladania vodíka. NášKokosový škrupina práškový aktívny uhlíkmá vysokú plochu povrchu a studňu vyvinutú štruktúru pórov, ktorá môže byť dobrým východiskovým materiálom pre ďalšiu úpravu. NášKyselina premytá aktívny uhlíkmá čistý povrch a môže sa použiť v aplikáciách, kde je potrebná vysoká čistota. Poskytujeme tiežPráškový aktívny uhlíks rôznymi veľkosťami častíc a povrchovými vlastnosťami, ktoré vyhovujú rôznym výskumným potrebám.

Ak máte záujem preskúmať používanie aktívneho uhlia na ukladanie vodíka alebo máte akékoľvek otázky týkajúce sa našich výrobkov, neváhajte nás kontaktovať a požiadajte o ďalšiu diskusiu a potenciálne príležitosti na obstarávanie. Zaviazali sme sa poskytovať vysoko kvalitné aktívne uhlíkové výrobky a technickú podporu, aby sme vám pomohli prekonať výzvy v tejto oblasti.

Odkazy

1. Schlapbach, L. a Züttel, A. (2001). Vodík - skladovacie materiály pre mobilné aplikácie. Nature, 414 (6861), 353 - 358.
2. Yang, RT (2003). Adsorbenty: Základy a aplikácie. Wiley - Interscience.
3. Züttel, A. (2004). Materiály na skladovanie vodíka. Materiály dnes, 7 (11), 22 - 32.
4. Chen, P., Xiong, Z., Luo, J., Lin, J., & Tan, Kl (2002). Kovové nanotrubice dotované uhlíkom ako potenciálne materiály na skladovanie vodíka. Journal of Physical Chemistry B, 106 (33), 8124 - 8127.