چالش های استفاده از کربن فعال برای ذخیره هیدروژن چیست؟

هیدروژن به دلیل چگالی انرژی زیاد و پتانسیل در کاهش انتشار گازهای گلخانه ای به عنوان یک حامل انرژی امیدوارکننده ظاهر شده است. کربن فعال ، با مساحت بزرگ و ساختار متخلخل ، به عنوان ماده کاندیدایی برای ذخیره هیدروژن در نظر گرفته شده است. من به عنوان تأمین کننده کربن فعال ، هم پتانسیل و هم چالش های مرتبط با استفاده از کربن فعال برای ذخیره هیدروژن را مشاهده کرده ام. در این وبلاگ ، من در مورد برخی از چالش های کلیدی در این زمینه بحث خواهم کرد.

1. ظرفیت ذخیره کم هیدروژن

یکی از مهمترین چالش ها در استفاده از کربن فعال برای ذخیره هیدروژن ، ظرفیت ذخیره سازی نسبتاً کم آن است. مولکول های هیدروژن کوچک هستند و با سطح کربن تعامل ضعیفی دارند. در شرایط محیط ، جذب هیدروژن بر کربن فعال محدود است. ظرفیت ذخیره سازی عمدتاً توسط سطح سطح و حجم منافذ کربن فعال تعیین می شود. اگرچه کربن فعال شده می تواند از سطح بسیار بالایی برخوردار باشد ، که اغلب بیش از 1000 متر مربع در گرم است ، اما میزان هیدروژن که می تواند در هر واحد جرم یا حجم کربن فعال شده ذخیره شود ، هنوز از الزامات کاربردهای عملی دور است.

به عنوان مثال ، در بسیاری موارد ، ظرفیت ذخیره هیدروژن کربن فعال شده در دمای اتاق و فشارهای متوسط تنها چند دهم درصد از وزن است. این بسیار پایین تر از اهداف تعیین شده توسط وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) برای سیستم های ذخیره سازی هیدروژن است که به ظرفیت گرانشی حداقل 5.5 درصد وزنی و ظرفیت حجمی 40 کیلوگرم در متر مربع نیاز دارند.

برای بهبود ظرفیت ذخیره سازی ، روشهای مختلفی مورد بررسی قرار گرفته است. یک رویکرد اصلاح شیمی سطح کربن فعال است. با معرفی هترواتوم مانند نیتروژن ، اکسیژن یا گوگرد به ساختار کربن ، می توان تعامل بین هیدروژن و سطح کربن را افزایش داد. روش دیگر استفاده از دوپینگ فلزی است. فلزاتی مانند پالادیوم ، پلاتین و نیکل می توانند هیدروژن را جذب کرده و آن را به سطح کربن منتقل کنند و به طور بالقوه ظرفیت ذخیره سازی کلی را افزایش می دهند. با این حال ، این روش ها اغلب از نظر هزینه ، ثبات و مقیاس پذیری با چالش هایی روبرو هستند.

2. فشار عملیاتی بالا و نیازهای دمای پایین

فیزیکی جذب هیدروژن بر روی کربن فعال بسیار وابسته به دما و فشار است. برای دستیابی به ظرفیت ذخیره سازی معقول ، معمولاً فشارهای زیاد و درجه حرارت پایین مورد نیاز است. در دمای اتاق ، جذب هیدروژن روی کربن فعال بسیار کم است و ذخیره قابل توجهی فقط در فشارهای بالاتر از 10 MPa قابل دستیابی است. از طرف دیگر ، کاهش دما می تواند ظرفیت جذب هیدروژن را افزایش دهد ، اما برای خنک کننده نیز به انرژی اضافی نیاز دارد.

نیاز به شرایط فشار بالا و دمای پایین چالش های مختلفی را به وجود می آورد. اول ، سیستم های ذخیره سازی با فشار بالا برای تولید و بهره برداری گران هستند. آنها برای مقاومت در برابر فشارهای زیاد به ظروف قوی و قابل اعتماد نیاز دارند که این امر به هزینه و وزن سیستم ذخیره سازی می افزاید. دوم ، انرژی مورد نیاز برای خنک کردن سیستم به دمای پایین باعث کاهش بهره وری کلی انرژی فرآیند ذخیره و استفاده از هیدروژن می شود.

برای کاربردهای عملی ، مانند وسایل نقلیه سلولی سوخت ، مطلوب است که یک سیستم ذخیره سازی هیدروژن داشته باشد که بتواند در شرایط تقریباً آمیخته کار کند. تهیه مواد کربن فعال که می توانند هیدروژن را در فشارهای پایین تر و درجه حرارت بالاتر ذخیره کنند ، یک چالش مهم تحقیق است. برخی از محققان در حال بررسی استفاده از ساختارهای متخلخل جدید و اصلاحات سطح برای تضعیف تعامل هیدروژن-کربن در دماهای بالا هستند و در عین حال هنوز یک ظرفیت ذخیره سازی معقول را حفظ می کنند.

3. سینتیک جذب هیدروژن و دفع

سینتیک جذب هیدروژن و دفع کربن فعال یکی دیگر از عوامل مهم است. در یک سیستم ذخیره سازی هیدروژن عملی ، هیدروژن باید در طی فرآیند پر کردن به سرعت جذب شود و در صورت نیاز انرژی به سرعت دفع شود. با این حال ، فرآیندهای جذب و دفع بر روی کربن فعال شده می توانند نسبتاً کند باشند ، به خصوص در دماهای پایین و فشارهای زیاد.

سینتیک آهسته عمدتا به دلیل انتشار مولکول های هیدروژن در ساختار متخلخل کربن فعال است. اندازه منافذ کوچک و شبکه منافذ پیچیده می تواند مانع از حرکت مولکول های هیدروژن شود و در نتیجه زمان جذب و دفع طولانی باشد. برای بهبود سینتیک ، لازم است ساختار منافذ کربن فعال شده بهینه شود. به عنوان مثال ، ایجاد ساختارهای منافذ سلسله مراتبی با هر دو میکرو - منافذ و منافذ می تواند مسیرهای انتشار سریعتر را برای مولکول های هیدروژن فراهم کند.

علاوه بر این ، شیمی سطح کربن فعال نیز می تواند بر سینتیک تأثیر بگذارد. حضور گروههای عملکردی بر روی سطح کربن می تواند فرآیندهای جذب و دفع را ترویج یا مهار کند. اصلاحات سطح که می تواند تحرک مولکول های هیدروژن بر روی سطح کربن را تقویت کند ، برای بهبود سینتیک مورد بررسی قرار می گیرد.

4. دوام و ثبات

دوام و پایداری کربن فعال شده در طی چرخه جذب هیدروژن مکرر و چرخه دفع برای استفاده طولانی مدت آن در کاربردهای ذخیره سازی هیدروژن بسیار مهم است. در طی فرآیند دوچرخه سواری ، ساختار کربن فعال ممکن است به دلیل عواملی مانند استرس مکانیکی ، دوچرخه سواری حرارتی و تعامل با هیدروژن تغییر کند.

به عنوان مثال ، هیدروژن با فشار زیاد می تواند باعث انبساط و انقباض منافذ کربن فعال شده شود و منجر به آسیب ساختاری با گذشت زمان شود. وجود ناخالصی در گاز هیدروژن مانند رطوبت ، اکسیژن و ترکیبات گوگرد نیز می تواند با سطح کربن فعال واکنش نشان داده و عملکرد آن را کاهش دهد.

حفظ پایداری کربن فعال نیاز به انتخاب و درمان مناسب مواد دارد. انتخاب کربن فعال با درجه بالایی از گرافیت و ساختار منافذ پایدار می تواند مقاومت خود را در برابر تخریب مکانیکی و شیمیایی بهبود بخشد. علاوه بر این ، توسعه روش های تصفیه برای از بین بردن ناخالصی ها از گاز هیدروژن می تواند به محافظت از کربن فعال و افزایش عمر آن کمک کند.

5. هزینه و مقیاس پذیری

هزینه مورد توجه عمده در تجاری سازی کربن فعال شده برای ذخیره هیدروژن است. تولید کربن فعال با کیفیت بالا با ساختار منافذ مورد نظر و خواص سطح می تواند گران باشد. مواد اولیه ، فرآیندهای فعال سازی و مراحل پس از درمان همه به هزینه کمک می کنند.

به عنوان مثال ، برخی از مواد کربن فعال شده با کارایی بالا از پیش سازهای گران قیمت مانند پوسته های نارگیل یا پلیمرهای مصنوعی ساخته شده اند. فرایند فعال سازی ، که معمولاً شامل درمان با دمای بالا با مواد شیمیایی یا گازها است ، همچنین به انرژی و منابع قابل توجهی نیاز دارد.

علاوه بر هزینه ، مقیاس پذیری یک چالش دیگر است. برای برآورده کردن تقاضای مقیاس بزرگ برای ذخیره سازی هیدروژن در بازار انرژی ، لازم است فرآیندهای تولیدی را توسعه دهید که به راحتی می توان آنها را افزایش داد. اطمینان از کیفیت و عملکرد مداوم کربن فعال در مقیاس بزرگ نیز یک کار دشوار است.

ما به عنوان تأمین کننده کربن فعال ، محصولات مختلفی را ارائه می دهیم که ممکن است کاربردهای بالقوه ای در تحقیقات ذخیره سازی هیدروژن داشته باشند. ماکربن فعال شده پوسته نارگیلدارای مساحت سطح بالایی و ساختار منافذ چاه توسعه یافته است که می تواند یک ماده شروع خوب برای اصلاح بیشتر باشد. ماکربن فعال شده اسید شسته شدهدارای یک سطح تمیز است و می تواند در برنامه هایی که در آن به خلوص بالا نیاز است استفاده شود. ما همچنین ارائه می دهیمکربن فعال شدهبا اندازه ذرات مختلف و خصوصیات سطح برای تأمین نیازهای مختلف تحقیقاتی.

اگر شما علاقه مند به استفاده از کربن فعال شده برای ذخیره سازی هیدروژن هستید یا در مورد محصولات ما سؤالی دارید ، لطفاً برای بحث بیشتر و فرصت های احتمالی تهیه ، با ما تماس بگیرید. ما متعهد به ارائه محصولات کربن فعال با کیفیت بالا و پشتیبانی فنی هستیم تا به شما در غلبه بر چالش های موجود در این زمینه کمک کنیم.

منابع

1. Schlapbach ، L. ، & Züttel ، A. (2001). هیدروژن - مواد ذخیره سازی برای برنامه های کاربردی تلفن همراه. طبیعت ، 414 (6861) ، 353 - 358.
2. یانگ ، RT (2003). جاذب ها: اصول و برنامه ها. ویلی - بینابینی.
3. Züttel ، A. (2004). مواد ذخیره سازی هیدروژن. مواد امروز ، 7 (11) ، 22 - 32.
4. Chen ، P. ، Xiong ، Z. ، Luo ، J. ، Lin ، J. ، & Tan ، KL (2002). نانولوله های کربن دوپ شده به عنوان مواد بالقوه برای ذخیره هیدروژن. مجله شیمی فیزیکی B ، 106 (33) ، 8124 - 8127.