Сорбционные свойства композитов на основе терморасширенных графитов

Наиболее масштабные перспективы использования водорода в энергетике связаны с двумя областями — водородными топливными элементами и двигателями внутреннего сгорания.

ВНИМАНИЕ! Работа на этой странице представлена для Вашего ознакомления в текстовом (сокращенном) виде. Для того, чтобы получить полностью оформленную работу в формате Word, со всеми сносками, таблицами, рисунками (вместо pic), графиками, приложениями, списком литературы и т.д., необходимо скачать работу.

Сорбционные свойства композитов на основе
терморасширенных графитов

Н. В. Чесноков, Б. Н. Кузнецов, Н. М. Микова, В. А.
Дроздов


Наиболее
масштабные перспективы использования водорода в энергетике связаны с двумя
областями — водородными топливными элементами и двигателями внутреннего
сгорания. Использование водорода в качестве альтернативы жидкому топливу
требует решения задачи его компактного хранения, а для эффективной работы
электродов топливных элементов нужны новые материалы с заданным комплексом
свойств.


В
последние годы активно ведутся исследования по разработке систем хранения
водорода, использующих нанопористые углеродные материалы, такие как углеродные
нановолокна и нанотрубки, фуллерены [1, 2]. Имеющиеся литературные данные о
способности пористых углеродных материалов (ПУМ) аккумулировать водород
достаточно противоречивы. Тем не менее, очевидно, что для достижения хороших
показателей по водородной емкости ПУМ должны обладать развитой микропористостью
[3]. Поскольку масштабы использования ПУМ во многом ограничиваются их
достаточно высокой стоимостью, весьма актуальны исследования, направленные на
разработку новых принципов и методов получения ПУМ с заданной структурой и
пористостью из дешевого природного сырья, например из природных графитов.


Уникальным
свойством некоторых соединений ин-теркалирования графита (СИГ) является их
способность в десятки и сотни раз увеличиваться в объеме при нагревании с
образованием терморасширенного графита (ТРГ). Благодаря своей химической
инертности, термостойкости, упругопластическим свойствам ТРГ используются в
производстве различных углеродных изделий. Однако до сих пор недостаточно
исследованы их пористая структура и адсорбционные свойства.


Ранее
было показано, что ТРГ имеют развитую микропористую структуру, представленную
порами с размерами меньше 1,0 нм [4]. При условии формирования в ТРГ нанопор их
можно рассматривать в качестве перспективных материалов для водородо-адсорб-ционных
систем.


В
работе представлены данные по исследованию текстурных характеристик и
адсорбционных свойств в отношении водорода терморасширенных природных графитов
и нанокомпозитов палладий/терморасширенный графит.

Получение и исследование терморасширенного графита

В
качестве объектов исследования использовались два типа ТРГ, полученных
термообработкой (терморасширение) интеркалированых графитов в стационарном
реакторе при температуре 1173 К, время термообработки составляло 30 с. Образцы
ТРГ-1 получены термообработкой природного графита Завальевско-го месторождения
(Украина), интеркалированного азотной и ледяной уксусной кислотами, а образцы
ТРГ-2 термообработкой того же графита, интеркалированного азотной кислотой.


Палладий
содержащие образцы готовили пропиткой ТРГ водно-спиртовым раствором H2PdCl4.
Содержание палладия во всех катализаторах составляло около 1%(масс.).


Данные
о текстурных характеристиках образцов ТРГ получены из анализа изотерм адсорбции
N2 (77 К) и СО2 (273 К). Адсорбционные измерения проводили на объемной
вакуумной статической автоматизированной установке «Sorptomatic-1900». Изотермы
адсорбции азота измеряли в интервале относительных давлений паров 10~3—0,999
при 77 К. Изотермы адсорбции диоксида углерода сняты при 273 К в области относительных
давлений адсорбтива 4 • 10~5—0,03.


Таким
образом, изотерма адсорбции азота измерена для всех областей Р/Р$, где может
протекать адсорбция в микропорах, мезопорах и на внешней поверхности, включая
область полимолекулярной адсорбции и капиллярно-конденсационного гистерезиса в
мезопорах. Изотерма адсорбции СО2 в области Р/Р$ 10~5—10~2 соответствует
адсорбции лишь в микропорах [5, 6].


Измерения
адсорбции водорода проводили на объемной вакуумной статической установке
«Sorpto-matic-1900». Измерения проводили в интервале абсолютных давлений
водорода 1—1000 торр при температуре 77, 303 и 373 К. На одной навеске
адсорбента в одной и той же измерительной бюретке проводили всю серию
измерений, начиная с температуры адсорбции 77 К, затем 303 К и 373 К, после чего
возвращались к первоначальной температуре.


Все
образцы перед адсорбционными измерениями (азот, диоксид углерода, водород)
проходили стандартную тренировку в вакууме при 573 К до остаточного давления
ниже 1 Па в течение 24 часов перед каждым измерением адсорбции.


Изотермы
адсорбции N2 при 77 К имеют обратимый характер и их форма соответствует
монослойной-многослойной адсорбции на непористых или макропористых твердых
телах (П-тип изотерм физической адсорбции по классификации BDDT). Изотермы не
имеют насыщения в области относительно высоких давлений (Р/Рд —> 1), что
затрудняет определение суммарного адсорбционного объема пор. Поэтому измерения
проводились при P/PQ = 0,996. Полученные результаты представлены в таблице 1.


Исследованные
образцы (табл. 1) различаются по удельной поверхности (>$БЭТ) и пористости.
Известно [7], что некоторые микропоры недоступны для адсорбции молекул N2 при
77 К из-за диффузионных ограничений. Однако молекулы СО2 могут проникать в
такие поры при определенных условиях проведения адсорбционного процесса
(температура 273—298 К, Р/Р0 < 0,03).


Детальное
исследование микропористости образцов терморасширенного графита было проведено
по адсорбции СО2 при 273 К (табл. 1). Наиболее развитая микропористая структура
наблюдается для образца ТРГ-1, который также имеет наибольшее значение
суммарного адсорбционного объема пор (J^ds)-


Высокие
значения поверхности микропор (>Smicro), рассчитанные по данным адсорбции
СО2 при 273 К, существенно более низких значениях поверхности по БЭТ,
рассчитанной из адсорбции азота, указывают на наличие в исследуемых образцах
большого количества ультрамикропор (менее 0,6—0,7 нм), недоступных молекуле
азота при 77 К из-за диффузионных ограничений. Этот факт описан в [7] и
принимается во внимание при сопоставлении результатов адсорбции двух
адсорбтивов.


На
рис. 1, 2 приведены изотермы адсорбции водорода при 303 и 373 К на исходных
образцах терморасширенного графита ТРГ-1 и ТРГ-2 и после нанесения на них
палладия. Все изотермы имеют линейный характер, следовательно, в данной области
давлений и температур адсорбция водорода протекает в области Генри. Отметим,
что изотермы адсорбции


Таблица
1


Текстурные
характеристики образцов терморасширенного графита

























Характеристика


ТРГ-1


ТРГ-2


Адсорбция азота, 77 К


^БЭТ, м2/г (Р/Ро = 0,005-0,2)


33,3


12,3


Fads, см3/г (Р/Р0 = 0,996)


0,138


0,083


fifnop, нм (4Fads/5B3T)


16,6


27,0


^nucro) см /г


0,013


0,006


Адсорбция диоксида


углерода


,273 К


^micro) M /Г


521


300


EQ, кДж/моль


23,2


23,7


"тек» нм


0,92


0,88


'тек» см /г


0,199


0,114


Скачиваний: 1
Просмотров: 0
Скачать реферат Заказать реферат