一种富含表面缺陷的碳基双金属储氢材料及其制备方法

本发明涉及固态储氢材料制备的，特别是涉及一种富含表面缺陷的碳基双金属储氢材料及其制备方法。

背景技术：

1、全球环境问题日益突出，存在能源短缺与环境污染的双重威胁。

2、氢能能量密度高、可再生、可连续供能、燃烧后不会产生污染物，被认为是最理想的替代化石燃料的清洁能源。但目前氢气难以大量、安全储存，储氢技术的发展是可持续氢能发展的关键。

3、固态储氢技术具有储氢密度大、体积小、安全性高、运输方便等优点，但目前的应用受到储氢材料的成本、储氢容量和循环稳定性不能兼容的限制，因此，急需研究者进一步开发新型固态储氢材料，降低其成本，提升其储氢容量和循环稳定性。

4、多孔碳材料是一类性能优良的吸附材料，具有孔隙度高、比表面积高、吸附容量大、表面活性高、循环使用寿命长及成本价格低等优点，因而在储氢领域被广泛研究。

5、聚丙烯腈(pan)是一种价格低廉的高分子聚合物，通过化学活化法可以得到具有大比表面积和孔容量的n掺杂多孔碳。聚丙烯腈衍生多孔碳(panpc)通过物理吸附储氢，在低温环境(77k)下具有优异的储氢性能，但在室温下储氢性能较差。

6、为了提高多孔碳材料的室温储氢性能，一个有效的策略是在多孔碳材料表面引入金属或合金纳米颗粒。金属或合金纳米颗粒表面能较高，很容易发生团聚，使得储氢材料的循环稳定性差。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有的固态储氢材料在室温下储氢容量低的技术问题，提出一种富含表面缺陷的碳基双金属储氢材料及其制备方法。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种富含表面缺陷的碳基双金属储氢材料的制备方法，包括如下步骤：s1：对聚丙烯腈进行热处理得到聚丙烯腈预氧化碳；s2：将所述聚丙烯腈预氧化碳浸渍在活化剂的溶液中，在氮气气氛中进行煅烧得到聚丙烯腈衍生多孔碳；s3：将所述聚丙烯腈衍生多孔碳保护气氛中煅烧，用于调整所述聚丙烯腈衍生多孔碳上的空位，得到富含表面缺陷的聚丙烯腈衍生多孔碳；s4：将所述富含表面缺陷的聚丙烯腈衍生多孔碳分散于溶液中，同时逐滴加入a金属源溶液和b金属源溶液，搅拌干燥后，在氢气和氩气混合气氛中煅烧得到富含表面缺陷的碳基双金属储氢材料。

4、在本发明的一些实施例中，步骤s1中，所述聚丙烯腈的分子量为9万-10万；所述热处理的温度为240-260℃，所述热处理的时间为2小时。

5、在本发明的一些实施例中，步骤s2中，在氮气气氛中进行煅烧的温度为700-900℃，煅烧的时间为90min，煅烧的升温速率为1-5℃/min。

6、在本发明的一些实施例中，步骤s2中，所述聚丙烯腈预氧化碳与所述活化剂的质量之比为1：1～1：15，所述活化剂包括氢氧化钾、氯化钾、碳酸钾中的至少一种。

7、在本发明的一些实施例中，步骤s2中，将所述聚丙烯腈预氧化碳浸渍在活化剂的溶液中时，还包括搅拌干燥后，在氮气气氛中进行煅烧后还包括冷却、清洗和干燥；所述活化剂中含有氢氧化钾，清洗前还包括使用盐酸水溶液以中和剩余的氢氧化钾，用于清除所述聚丙烯腈衍生多孔碳上的氢氧化钾。

8、在本发明的一些实施例中，步骤s3中，所述保护气氛为空气，煅烧的温度为350-450℃，煅烧的时间为10-20min，煅烧的升温速率为1-5℃/min，所述空位为碳空位，得到具有碳空位的聚丙烯腈衍生多孔碳。

9、在本发明的一些实施例中，步骤s3中，所述保护气氛为氢气和氩气混合气氛，煅烧的温度为400-850℃，煅烧的时间为10-20min，煅烧的升温速率为1-5oc/min，所述空位为氧空位，得到具有氧空位的聚丙烯腈衍生多孔碳。

10、在本发明的一些实施例中，步骤s4中，所述a金属为钯、金、银、铁、钴、镍、铜中的一种，所述b金属为钯、金、银、铁、钴、镍、铜中的一种；所述a金属与所述b金属不相同；所述a金属与所述b金属来源于相应金属的水溶性金属盐，所述a金属的浓度为1-10wt.％，所述b金属的浓度为0-5wt.％。

11、在本发明的一些实施例中，步骤s4中，所述溶液为去离子水，并超声振荡15min；同时所述滴加a金属源溶液和所述b金属源溶液时，滴加速度均为1滴/10s，以使所述a金属与所述b金属良好分散在所述富含表面缺陷的聚丙烯腈衍生多孔碳的表面；在氢气和氩气混合气氛中煅烧时，煅烧的温度为400-900℃，煅烧的时间为120min，煅烧的升温速率为3-5℃/min。

12、本发明还提出一种富含表面缺陷的碳基双金属储氢材料，使用如上任意一项所述的富含表面缺陷的碳基双金属储氢材料的制备方法得到。

13、本发明具有如下有益效果：

14、本发明提出的富含表面缺陷的碳基双金属储氢材料的制备方法，通过在聚丙烯腈衍生多孔碳表面调控空位，增加了合金纳米颗粒的锚定点位，使得合金纳米颗粒不易发生团聚，提升了金属利用率和分散性，又通过双金属源水溶液同时逐滴加入，可以使双金属更加充分地分散在富含表面缺陷的聚丙烯腈衍生多孔碳表面的空位内，为氢气提供了更多的吸附活性位点，从而解决了室温下储氢容量低。

15、对于制得的富含表面缺陷的碳基双金属储氢材料，经过储氢性能评价测试，该储氢材料表现出高储氢容量和良好的循环稳定性，在储氢领域具有广阔的应用前景。

16、本发明实施例中的其他有益效果将在下文中进一步述及。

技术特征：

1.一种富含表面缺陷的碳基双金属储氢材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s1中，所述聚丙烯腈的分子量为9万-10万；所述热处理的温度为240-260℃，所述热处理的时间为2小时。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s2中，在氮气气氛中进行煅烧的温度为700-900℃，煅烧的时间为90min，煅烧的升温速率为1-5℃/min。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s2中，所述聚丙烯腈预氧化碳与所述活化剂的质量之比为1：1～1：15，所述活化剂包括氢氧化钾、氯化钾、碳酸钾中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s2中，将所述聚丙烯腈预氧化碳浸渍在活化剂的溶液中时，还包括搅拌干燥后，在氮气气氛中进行煅烧后还包括冷却、清洗和干燥；

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s3中，所述保护气氛为空气，煅烧的温度为350-450℃，煅烧的时间为10-20min，煅烧的升温速率为1-5℃/min，所述空位为碳空位，得到具有碳空位的聚丙烯腈衍生多孔碳。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s3中，所述保护气氛为氢气和氩气混合气氛，煅烧的温度为400-850℃，煅烧的时间为10-20min，煅烧的升温速率为1-5℃/min，所述空位为氧空位，得到具有氧空位的聚丙烯腈衍生多孔碳。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s4中，所述a金属为钯、金、银、铁、钴、镍、铜中的一种，所述b金属为钯、金、银、铁、钴、镍、铜中的一种；

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s4中，所述溶液为去离子水，并超声振荡15min；

10.一种富含表面缺陷的碳基双金属储氢材料，其特征在于，使用如权利要求1至9中任意一项所述的富含表面缺陷的碳基双金属储氢材料的制备方法得到。

技术总结
本发明公开了一种富含表面缺陷的碳基双金属储氢材料及其制备方法，该方法包括步骤：S1：对聚丙烯腈进行热处理得到聚丙烯腈预氧化碳；S2：将聚丙烯腈预氧化碳浸渍在活化剂的溶液中，在氮气气氛中进行煅烧得到聚丙烯腈衍生多孔碳；S3：将聚丙烯腈衍生多孔碳在保护气氛中煅烧，用于调整聚丙烯腈衍生多孔碳上的空位，得到富含表面缺陷的聚丙烯腈衍生多孔碳；S4：将富含表面缺陷的聚丙烯腈衍生多孔碳分散于溶液中，同时逐滴加入A金属源溶液和B金属源溶液，搅拌干燥后，在氢气和氩气混合气氛中煅烧得到富含表面缺陷的碳基双金属储氢材料。经过储氢性能评价测试，制得的储氢材料表现出高储氢容量和良好的循环稳定性，在储氢领域具有广阔的应用前景。

技术研发人员：黎维彬,杨晓庆
受保护的技术使用者：清华大学深圳国际研究生院
技术研发日：
技术公布日：2024/8/1