竹炭储氢材料及其制备和应用

本发明属于炭材料领域，具体涉及一种竹炭储氢材料领域。

背景技术：

1、当前，氢能源在全球能源体系中的重要性日益凸显，其在生产、运输、储存等环节上的相关技术也亟需发展。其中，发展高效、安全、低成本的固态储氢材料尤为迫切。近年来，生物质基炭材料因其来源广泛、制备简单、孔结构丰富等特点在固态储氢领域报道较多，逐渐展现出较佳的发展潜力。

2、现有的炭材料储氢材料主要包括纯碳基材料以及负载活性成分的碳基材料，其中活性材料主要是贵金属以及一些金属的氧化物。

3、例如，公开号为cn110835107a的中国专利文献公开了一种生物质多孔炭材料及其制备方法，具体记载通过干燥、粉碎、炭化、活化、酸洗和深冷等步骤制备的方法。公开号为cn101780952a的中国专利文献公开了负载功能氧化物多孔炭的制备方法，其步骤为：选择生物质材料，在真空或惰性条件下并在400～1000℃温度范围内炭化；将炭化后所得的多孔炭根据对孔结构的需要，采用物理活化或化学活化过程，制备多孔炭；将所得的多孔炭浸渍入元素m的前躯体溶液中，用蒸馏水清洗数次，干燥；将所得的多孔炭在真空或惰性气氛下300～1000℃焙烧，即得负载功能性氧化物mxoy的活性炭。再如，公开号为cn118125374a的中国专利文献公开了一种储氢材料，其包括3～5％的主催化剂、1～2％的催化助剂和余量的mgh；所述主催化剂包括多孔炭及吸附在所述多孔炭表面的pt、pd活性组分，且所述主催化剂的制备方法包括以下步骤：将多孔炭粉末投入活化溶液中搅拌浸没后制得改性多孔炭粉末，将所述改性多孔炭粉末与溶解有氯铂酸、氯钯酸的混合溶液搅拌混合制得混合分散液，向所述混合分散液投入还原剂与稳定剂搅拌溶解后静置沉淀，分离并洗涤沉淀后烘干制得主催化剂。

4、综上，虽然现有技术公开了一些生物质碳基的储氢材料，然而，生物质基炭材料还存在储氢活性位点较缺乏，吸附作用力较弱，且微孔结构缺乏精准控制等问题，储氢容量还处于相对较低水平，因此目前仍缺乏特异性强的生物质炭基高效储氢材料，限制了固态储氢技术的发展。不仅如此，不同的生物质有不同的物化特点，现有技术还没有如何利用竹子特点制备适配氢气存储要求的竹基材料的方案。

技术实现思路

1、针对行业内缺乏针对竹原料特征而开发适配储氢材料要求的技术问题，本发明第一目的在于，提供一种竹炭储氢材料的制备方法，旨在利用竹子特点制备符合储氢应用要求的材料。

2、本发明第二目的在于，提供所述制备方法制得的竹炭储氢材料及其应用。

3、本发明第三目的在于，提供一种含有所述竹炭储氢材料的储氢设备。

4、对于气体存储材料而言，其不同于常规的气体吸附材料，其关键难点在于如何实现气体的高密度储存和简易释放使用。此外，对于储氢而言，其需要限域的气体为氢气，其不同于其他的气体，如丙烷、丁烷、丙烯、丁烯、苯类化合物等，其分子小、质量轻，适用于其他气体的存储材料难于简单转用至氢气体系实现类似的储氢效果。不仅如此，不同的生物质有不同的物化特点，例如，对于竹子原料而言，其质地致密，其相较于其他生物质，更难于构建适配氢气稳定限域的储氢材料。基于此，目前竹炭基储氢材料仍属于行业空白，行业内还没有如何克服竹子物化特点进而构建储氢适配的物化特点的技术。针对该问题，本发明经过深入研究，提供了如下的改进方案：

5、竹炭储氢材料的制备方法，将竹子原料进行炭化得到炭化料，再将炭化料和改性剂混合后进行活化，得到活化料；将活化料进行洗涤、干燥处理，即得所述的竹炭储氢材料；其中，将炭化前的竹子原料、活化前的炭化料、活化后的活化料、洗涤后的洗涤料中的至少一种原料在进行下一步操作前预先进行液相微波预处理；

6、所述的改性剂包含碱性成分。

7、针对竹原料致密所致的难于制备符合储氢特点的材料的问题，本发明创新地在炭化、活化前以及活化后的步骤中添加所述的液相微波预处理步骤，如此能够意外地利于适配竹原料的结构特点，可以构建储氢适配的微观结构，不及如此，还利于表面构建储氢适配的活性位点。本发明在行业内首次成功利用难于处理的竹子原料制备了具备良好储氢活性的材料。

8、本发明中，所述的竹子原料为竹茎、竹节中的至少一种，进一步可以为1.5～5年生竹。

9、本发明中，竹子原料的粒度为50～80目。

10、本发明中，炭化阶段的气氛为无氧或低氧气氛；例如可以为氮气、惰性气体中的至少一种。

11、本发明中，炭化的温度为400～800℃；进一步可以为500～700℃。

12、炭化阶段的升温速率可以为1～10℃/min，考虑到制备效率，进一步可以为5～8℃/min。

13、本发明中，炭化的时间为0.5～5h，进一步可以为1～3h。

14、本发明中，所述的改性剂包括氢氧化钾、氢氧化钠、氯化锌中的至少一种。

15、优选地，炭化料和改性剂的重量比为1:1～8，进一步可以为1:3～6。

16、优选地，活化阶段在无氧或低氧气氛中进行。

17、优选地，活化阶段的温度为600～850℃；优选为650～750℃，进一步优选为690～710℃。本发明研究表明，在该优选的温度下，能够意外地进一步解决竹原料难于制备储氢适配的物化特点的问题，可以获得更优的竹基材料储氢性能。

18、活化阶段的升温速率为1～10℃/min，考虑到制备效率，进一步可以为2～4℃/min。

19、优选地，活化温度下的保温时间为1～5h，进一步可以为2～3h。

20、本发明中，液相微波预处理阶段的溶剂为含水溶液，优选为蒸馏水。本发明中，基于所述的液相微波预处理，其不同常规的微波炭化以及活化，其作用在于适配竹原料特点，构建其微观结构，不仅如此，还构建储氢适配的活性位点以及稳定限域的多孔结构，进而可以解决竹原料物化特点所致的难于制备储氢材料的问题。

21、优选地，液相微波预处理阶段的液固比为5～20ml/g；进一步可以为10～15ml/g。

22、微波的功率没有特别要求，例如可以为600～800w。

23、优选地，液相微波预处理阶段的处理时间为2～10min，进一步优选为4～6min。

24、本发明中，所述的洗涤包括酸洗以及水洗步骤。

25、本发明所述的方案，可选地包含如下四种实施方案：方案a：预先将竹子原料进行所述的液相微波预处理，随后再进行后续的炭化、活化、洗涤、干燥处理，制得所述的竹炭储氢材料。方案b：将竹子原料进行炭化处理，将炭化料进行所述的液相微波预处理后进行活化、洗涤、干燥处理。方案c：将竹子原料进行炭化、活化处理，并将活化料进行液相微波预处理后进行洗涤、干燥处理。方案d：将竹子原料进行炭化、活化、洗涤后进行液相微波预处理，随后经干燥处理。

26、本发明研究还表明，采用优选的方案a的工艺，可以意外地进一步解决竹子原料物化特点所致的制备难题，可以获得更优的竹基材料储氢性能。

27、本发明中，洗涤过程包括酸性过程以及水洗过程。

28、本发明还提供了一种所述制备方法制得的竹炭储氢材料。本发明所述的制备方法能够赋予制备的材料特殊的物化特点，且所述的制备方法制得的材料能够意外地适配储氢应用要求，可以获得优异的竹基材料储氢性能。

29、本发明还提供了一种所述制备方法制得的竹炭储氢材料的应用，将其作为储氢材料。

30、本发明还提供了一种储氢设备，其包含所述制备方法制得的竹炭储氢材料，或者由所述的竹炭储氢材料制备得到。

31、本发明所述的储氢设备，其除了包含本发明所述的竹炭储氢材料外，其他的成分以及结构特点均可以是常规的。

32、有益效果

33、本发明创新地在炭化、活化前以及活化后的步骤中添加所述的液相微波预处理步骤，如此能够意外地利于适配竹原料的结构特点，可以构建储氢适配的微观结构，不及如此，还利于表面构建储氢适配的活性位点。本发明在行业内首次成功利用难于处理的竹子原料制备了具备良好储氢活性的材料。

34、本发明研究还表明，采用优选的方案a，可以进一步实现工艺协同性，有助于进一步强化制备的竹基材料的储氢性能。