一种氮掺杂石墨烯负载的碱土金属钙单原子非裂解型化学吸附储氢材料及其制备方法技术

一种氮掺杂石墨烯负载的碱土金属钙单原子非裂解型化学吸附储氢材料及其制备方法，将三聚氰胺与石墨烯按照质量比

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂石墨烯负载的碱土金属钙单原子非裂解型化学吸附储氢材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种氮
(N)
掺杂石墨烯负载的碱土金属钙
(Ca)
单原子非裂解型化学吸附储氢材料的制备方法，主要用于固态储氢材料
。

技术介绍

[0002]为了应对气候变化和环境污染问题，全球范围内从化石燃料向清洁能源转型的迫切性不言而喻
。
而氢能以其独特的优点，主要包括：高的热值
(142MJ/kg)、
地球上丰富的资源
、
无毒性以及环境友好性而备受关注，且是未来取代化石燃料的不二之选
。
但是阻碍氢能应用的一个关键问题便是氢气的储存问题
。
传统的高压气态和低温液态储氢方式具有不安全性和高成本，不利于氢气的储存和运输
。
固态储氢技术凭借其独特的优点，主要包括高的质量储氢密度和体积储氢密度以及实际应用中的安全性，而从其它储氢技术脱颖而出
。
但是，当前的固态储氢材料的发展仍然处于初级阶段
。
[0003]目前，固态储氢材料一般分为两种：一种是以
MgH2、AlH3和
LiBH4等为代表的插入型储氢材料，它们的储氢机制主要是裂解的氢气分子发生化学反应；另一种是以石墨烯
、
多孔碳
、
碳纳米管为代表的物理吸附型储氢材料，它们的储氢机制主要是非裂解的氢气分子的物理吸附
。
插入型储氢材料由于氢气分子在主体材料表面高的裂解能垒以及与氢原子强的化学结合导致吸放氢过程中慢的动力学
、
差的循环稳定性以及非常苛刻的操作条件
。
而物理吸附型储氢材料虽然有好的循环稳定性和快的氢气吸放氢动力学，但是由于氢气分子弱的范德华相互作用导致储氢密度相对较低
。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是提供一种储氢密度高的氮掺杂石墨烯负载的碱土金属钙单原子非裂解型化学吸附储氢材料及其制备方法
。
[0005]一种储氢密度高的氮掺杂石墨烯负载的碱土金属钙单原子非裂解型化学吸附储氢材料，其特殊之处在于，所述的固态储氢材料为单原子碱土金属钙负载在氮掺杂石墨烯上的碳材料，且实现了对氢气的非裂解型化学吸附储存
。
[0006]进一步的，所述单原子碱土金属钙负载在氮掺杂石墨烯上的碳材料中钙原子的含量为
0.33at
％；氮含量为
7.61at
％；所述氮掺杂石墨烯的石墨烯的单层率为
60
％
。
[0007]一种储氢密度高的氮掺杂石墨烯负载的碱土金属钙单原子非裂解型化学吸附储氢材料的制备方法，其具体步骤是：
(1)
制备氮掺杂石墨烯将三聚氰胺与石墨烯按照质量比
16:1
充分混合，在管式炉内
、N2气氛保护下，加热至
900℃
，然后保持该温度下加热
3h
，然后停止加热，
N2气氛保护下自然冷却，得到氮掺杂石墨烯；
(2)
制备氮掺杂石墨烯负载的碱土金属钙初品
将
Ca(NO3)2和氮掺杂石墨烯按照质量比
1:50
加入到去离子水中，室温下搅拌均匀，使氮掺杂石墨烯均匀分散于混合溶液中，得到
Ca(NO3)2‑
氮掺杂石墨烯分散液；
(3)
制备氮掺杂石墨烯负载单原子钙材料初品将
Ca(NO3)2‑
氮掺杂石墨烯分散液在室温下静置，移除上清液，保留沉淀，得到氮掺杂石墨烯负载单原子钙材料初品；
(4)
真空冷冻干燥将氮掺杂石墨烯负载单原子钙材料初品放入真空冷冻干燥箱内，在
‑
20℃
下进行冷冻干燥
72
小时，得到氮掺杂石墨烯负载单原子钙材料
。
[0008]进一步的，所述石墨烯的比表面积为
280m
2 g
‑1～
300m
2 g
‑1。
[0009]进一步的，所述石墨烯的比表面积为
300m
2 g
‑1。
[0010]作为进一步的优选，所述石墨烯的单层率为
60
％
。
[0011]进一步的，搅拌速度为
60
转
/
分钟，搅拌时间为
12
小时
。
[0012]进一步的，步骤
(1)
的加热速度是
5℃/min。
[0013]进一步的，静置时间为
12
小时
。
[0014]进一步的，所述
Ca(NO3)2与去离子水的质量体积比为
1:100g/L。
[0015]本专利技术的有益效果：
(1)
工艺简单，操作方便
。Ca(NO3)2和氮掺杂石墨烯在去离子水不断搅拌，此时，作强电解质的硝酸钙
Ca(NO3)2已经充分溶解在去离子水中，成为了均匀的
Ca
2+
和
NO3‑
离子，而不溶于去离子水但是通过充分搅拌后能均匀细化分散在去离子水中的氮掺杂石墨烯能够曝露出更大的表面，于是，分散均匀的
Ca
2+
和
NO3‑
离子由于带有电荷，更容易在更大表面积的氮掺杂石墨烯进行均匀的静电吸附，均匀分散结合到石墨烯的表面上
。
这种结合了
Ca
2+
和
NO3‑
离子的石墨烯进行充分沉淀后，移除上层清液，留下沉淀即为氮掺杂石墨烯负载单原子钙材料初品
。
[0016](2)
氮掺杂石墨烯负载单原子钙材料初品冷冻干燥，冷冻干燥充分保证氮
(N)
掺杂石墨烯负载的碱土金属钙
(Ca)
单原子材料保持掺杂石墨烯具有相似的形貌和比表面积和多孔性，它是一种非裂解型化学吸附储氢材料，能够同时兼顾插入型储氢材料高的储氢密度和物理吸附型储氢材料好的动力学性能的双重优点；这种非裂解型化学吸附储氢材料是一种表面诱发化学吸附，具有介于物理吸附和化学反应之间的中等的吸附强度，具有较高的储氢密度
。
附图说明
[0017]图1为本专利技术
(
对应实施例
1)
制备的氮掺杂石墨烯负载单原子钙材料的双球差校正透射电子显微镜照片；图2为本专利技术
(
对应实施例
1)
制备的氮掺杂石墨烯负载单原子钙材料的扫描电子显微镜照片
(a)
及其能谱图
(b)
；图3为本专利技术
(
对应实施例
1)
制备的氮掺杂石墨烯负载单原子钙材料的透射电子显微镜照片
(a)、
高本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种储氢密度高的氮掺杂石墨烯负载的碱土金属钙单原子非裂解型化学吸附储氢材料，其特征是：所述非裂解型化学吸附储氢材料为单原子碱土金属钙负载在氮掺杂石墨烯上的碳材料，且实现了对氢气的非裂解型化学吸附储存
。2.
根据权利要求1所述的氢密度高的氮掺杂石墨烯负载的碱土金属钙单原子非裂解型化学吸附储氢材料，其特征是：所述单原子碱土金属钙负载在氮掺杂石墨烯上的碳材料中钙原子的含量为
0.33at
％；氮含量为
7.61at
％；所述氮掺杂石墨烯的石墨烯的单层率为
60
％
。3.
一种如权利要求1所述的储氢密度高的氮掺杂石墨烯负载的碱土金属钙单原子非裂解型化学吸附储氢材料的制备方法，其特征是：具体步骤如下：
(1)
制备氮掺杂石墨烯将三聚氰胺与石墨烯按照质量比
16:1
充分混合，在管式炉内
、N2气氛保护下，加热至
900℃
，然后保持该温度下加热
3h
，然后停止加热，
N2气氛保护下自然冷却，得到氮掺杂石墨烯；
(2)Ca(NO3)2‑
氮掺杂石墨烯分散液将
Ca(NO3)2和氮掺杂石墨烯按照质量比
1:50
加入到去离子水中，室温下搅拌均匀，使氮掺杂石墨烯均匀分散于混合溶液中，得到
Ca(NO3)2‑
氮掺杂石墨烯分散液；
(3)
制备氮掺杂石墨烯负载单原子钙材料初品将
Ca(NO3)2‑
氮掺杂石墨烯分散液在室温下静置，移除上清液，保留沉淀，得到氮掺杂石墨烯负载单原子钙材料初品；
(4)
真空冷冻干燥将氮掺杂石墨烯负载单原子钙材料初品放入真空冷冻干燥箱内，在
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：高勇，李政隆，崔文刚，杨亚雄，高帆，潘洪革，
申请(专利权)人：西安工业大学，
类型：发明
国别省市：