氫能是推動(dòng)傳統(tǒng)化石能源向綠色能源轉(zhuǎn)變的清潔能源 其能量密度是石油的3倍、煤炭的4.5倍！ 是未來能源革命的改進(jìn)性技術(shù)方向 氫燃料電池是實(shí)現(xiàn)氫能轉(zhuǎn)換為電能利用的關(guān)鍵載體 在“碳達(dá)峰”與“碳中和”的綠色發(fā)展背景下 世界各國高度重視氫燃料電池技術(shù)的發(fā)展 這對(duì)氫能及氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈的 相關(guān)材料、工藝技術(shù)和表征手段等方面 提出了更高要求 氣體吸附技術(shù)是材料表面物性表征的重要方法之一 在以氫燃料電池為主的氫能利用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用 氣體吸附技術(shù)在制氫行業(yè)中的表征應(yīng)用 如何制氫是利用氫能的前列步 電解水制氫純度等級(jí)高，雜質(zhì)氣體少，易與可再生能源結(jié)合 被認(rèn)為是未來最有發(fā)展?jié)摿Φ木G色氫能供應(yīng)方式[1] 圖片來源：攝圖網(wǎng) 為了提高電解水制氫效率 開發(fā)、利用高性能的HER電極催化劑 是一條行之有效的途徑。 以石墨烯為代表的多孔碳材料具備優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，如豐富的孔道結(jié)構(gòu)、較大的比表面積、較高的電導(dǎo)率以及良好的電化學(xué)穩(wěn)定性，為構(gòu)建高效的復(fù)合催化體系帶來了新的契機(jī)，通過助催化劑的負(fù)載或者雜原子摻雜等途徑提升析氫能力[2]。 此外，大量的研究表明，HER電極催化劑的催化活性很大程度上取決于其表面暴露出的活性位點(diǎn)的數(shù)量，暴露的活性位點(diǎn)越多，其相應(yīng)的催化性能就會(huì)越佳。而多孔碳材料較大的比表面積，作為載體時(shí)一定程度上會(huì)使活性物質(zhì)暴露出更多的活性位點(diǎn)，加速制氫的反應(yīng)進(jìn)行。 以下是使用國儀量子V-Sorb X800系列比表面及孔徑分析儀對(duì)石墨烯材料的表征案例。從圖1可以看出，不同工藝制備出的石墨烯其表面積差距較大，分別為516.7 m2/g和88.64 m2/g，研究者可以通過比表面積的測試結(jié)果來進(jìn)行基礎(chǔ)催化活性的判斷，可為復(fù)合催化劑的制備提供相應(yīng)的參考。 圖1 不同工藝合成的石墨烯比表面積測試結(jié)果 此外，很多研究者通過將磷化鈷等過渡金屬磷化物與高比表面積的碳材料相結(jié)合，來提高電解水制氫的電催化活性。如圖2所示，通過將磷化鈷負(fù)載在多孔碳材料上，通過BET測試結(jié)果，可以得出碳/磷化鈷復(fù)合材料的比表面積高達(dá)195.44 m2/g，高比表面積可以提供更多的活性位點(diǎn)與電解液接觸，同時(shí)由于適中的氧/氫吸附和解離能，進(jìn)而會(huì)表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化活性。 圖2 碳/磷化鈷復(fù)合材料比表面積測試結(jié)果 氣體吸附技術(shù)在氫燃料電池行業(yè)中的表征應(yīng)用 氫燃料電池是以氫氣為燃料，通過電化學(xué)反應(yīng)將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、、無噪聲等優(yōu)點(diǎn)。 當(dāng)前，氫燃料電池的研究重點(diǎn)在于對(duì)質(zhì)子交換膜、電催化劑和雙極板等技術(shù)的攻關(guān)。在氫燃料電池中，理想的質(zhì)子交換膜（PEM）將填充氫氣的腔體和填充氧氣的燃燒室充分分隔開來，只允許質(zhì)子單獨(dú)通過。而目前常用氫燃料電池質(zhì)子交換膜隔離性能不夠好，會(huì)使氫燃料與氧化劑部分混合，從而損害氫燃料電池的電化學(xué)性能。 近年來，由多孔MOF和聚合物復(fù)合形成的PEM的研究受到了廣泛關(guān)注，其中MOF框架結(jié)構(gòu)可以通過一些有利于質(zhì)子傳導(dǎo)的化合物進(jìn)行修飾，然后將形成的MOF基材料進(jìn)一步制成以聚合物為基質(zhì)的雜化膜。MOF的高比表面積還可以容納更多的質(zhì)子載體，為提高復(fù)合膜的質(zhì)子導(dǎo)電率提供了機(jī)會(huì)；此外，MOF的豐富孔道結(jié)構(gòu)便于在其孔道中構(gòu)建氫鍵網(wǎng)絡(luò)作為質(zhì)子傳輸?shù)挠行緩?，進(jìn)而增加活性質(zhì)子的遷移率[3]。 圖3是使用國儀量子自研的V-Sorb X800系列比表面及孔徑分析儀對(duì)MOF復(fù)合材料的表征案例。 圖3 （a）BET測試結(jié)果圖；（b）N2吸附-脫附等溫線 圖3（a）展示了MOF復(fù)合材料的BET在1242.58 m2/g，圖3（b）N2吸附-脫附等溫線接近Ⅰ類等溫線，表明具有較為豐富的微孔結(jié)構(gòu)。結(jié)合孔徑分布圖分析，圖4（a）可以看出BJH-孔徑分布圖中無明顯的集中分布趨勢，表明基本無集中的介孔孔徑分布；圖4（b）SF-孔徑分布中，可以看出在0.57 nm處附近有較為集中的一個(gè)微孔孔徑分布，表明其最可幾孔徑為0.57 nm。 圖4 （a）BJH-吸附-孔徑分布圖；（b）SF-吸附-孔徑分布圖 此外，在氫燃料電池的電堆中，電極上氫的氧化反應(yīng)和氧的還原反應(yīng)過程主要受催化劑控制，催化劑是影響氫燃料電池活化極化的主要因素，被視為氫燃料電池的關(guān)鍵材料，決定著氫燃料電池汽車的整車性能和使用經(jīng)濟(jì)性[4]。鉑是燃料電池的催化劑之一，但較高的成本限制了其大規(guī)模使用。而同樣以石墨烯為代表的多孔碳材料也可以作為氫燃料電池的電催化劑載體，在其表面負(fù)載上非鉑催化劑，其制氫催化效率可以達(dá)到或超越傳統(tǒng)的鉑系催化劑，助力氫燃料電池的規(guī)?；瘧?yīng)用。 國儀精測V-Sorb X800系列 國儀精測V-Sorb X800系列比表面及孔徑分析儀采用靜態(tài)容量法測試原理，具備充分的自動(dòng)化操作，人性化的操作界面，簡單易學(xué)。產(chǎn)品技術(shù)通過機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)科技成果鑒定，被歐美高校、科研實(shí)驗(yàn)室選購使用，獲得，樹立了優(yōu)良的國產(chǎn)品牌形象。 參考文獻(xiàn)： [1] Wang P, Qi J, Chen X, et al. Three-dimensional heterostructured NiCoP@ NiMn-layered double hydroxide arrays supported on Ni foam as a bifunctional electrocatalyst for overall water splitting[J]. ACS applied materials & interfaces, 2019, 12(4): 4385-4395. [2] Huang H, Shi H, Das P, et al. The chemistry and promising applications of graphene and porous graphene materials[J]. Advanced Functional Materials, 2020, 30(41): . [5] Chen J, Mei Q, Chen Y, et al. Highly Efficient Proton Conduction in the Metal–Organic Framework Material MFM-300 (Cr)· SO4 (H3O) 2[J]. Journal of the American Chemical Society, 2022, 144(27): 11969-11974. [6] 劉應(yīng)都, 郭紅霞, 歐陽曉平. 氫燃料電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及未來展望[J]. 中國工程科學(xué), 2021.