Влияние отрицательных температур на сорбцию водорода углеродными нанотрубками

Гулидова  Людмила  Владимировна

инженер  Томского  политехнического  университета,  г.  Томск

E-mail: 

Дуброва  Наталья  Александровна

ассистент,  зав.  лабораторией  неразрушающего  контроля,  Томского  политехнического  университета,  г.  Томск

E-mail: 

LOW  TEMPERATURE  EFFECT  ON  HYDROGEN  SORPTION  BY  CARBON  NANOTUBES

Lyudmila  Gulidova

engineer  of  Tomsk  Polytechnic  University,  Tomsk

Natalya  Dubrova

head  of  Nondestructive  test  laboratory,  assistant  of  Tomsk  Polytechnic  University,  Tomsk

АННОТАЦИЯ

В  статье  представлены  результаты  исследования  сорбции  и  десорбции  водорода  углеродным  материалом,  содержащим  нанотрубки  при  пониженных  температурах.  Насыщение  проводилось  на  автоматизированном  комплексе  Gas  Reaction  Controller  из  водородной  атмосферы.  Сорбционная  емкость  углеродного  материала  и  остаточное  количество  водорода  при  десорбции  увеличиваются  с  понижением  температуры.

ABSTRACT

The  hydrogen  sorption  and  desorption  by  carbon  material  with  content  of  carbon  nanotubes  results  of  investigation  are  presented.  The  samples  on  automated  complex  Gas  Reaction  Controller  from  hydrogen  atmosphere  were  saturated.  The  sorption  capacity  of  carbon  material  and  residual  quantity  of  hydrogen  at  desorption  increasing  with  temperature  decrease.

Ключевые  слова:  углеродные  нанотрубки;  водород;  сорбция;  десорбция.

Keywords:  carbon  nanotubes;  hydrogen;  sorption;  desorption.

Основным  вопросом  альтернативной  энергетики  остается  поиск  эффективного,  экологически  безопасного,  доступного  и  относительно  дешевого  источника  энергии.  Водород  обладает  многими  свойствами  необходимыми  для  удовлетворения  энергетических  потребностей  человечества  [1].  Но  существующая  инфраструктура  хранения  и  транспортировки  газа  до  конца  не  отрегулирована  и  требует  дополнительных  усовершенствований.  На  данный  момент,  ни  один  из  существующих  методов  хранения  водорода  (под  высоким  давлением  в  баллонах,  в  жидком  состоянии,  в  криогенных  резервуарах,  в  виде  металлогидридов)  не  является  эффективным  [2,  с.  20].

Резервуар  для  хранения  водорода  должен  поглощать  большое  количество  водорода  со  сравнительно  небольшим  объемом  и  легко  отдавать  его  по  мере  необходимости.  В  качестве  материала  для  хранения  водорода  рассматриваются  углеродные  материалы,  в  частности  нанотрубки  [1,  2].

Исследовался  углеродный  материал,  содержащий  нанотрубки,  полученный  методом  высокотемпературного  пиролиза  в  присутствии  металлических  катализаторов,  после  чего  был  очищен  стандартными  химическими  методами  до  максимального  содержания  углеродных  нанотрубок  [3]. 

Для  исследования  процессов  сорбции  и  десорбции  водорода  углеродными  материалами,  содержащими  углеродные  нанотрубки,  использовался  режим  насыщения  с  изменением  давления  при  постоянной  температуре  на  автоматизированном  комплексе  Gas  Reaction  Controller  фирмы  Advanced  Material  (США).  Исследование  сорбционных  свойств  материала,  содержащего  нанотрубки,  осуществлялось  в  диапазоне  давлений  от  0  до  8  атм.  и  температур  от  –30  °C  до  0  °C  с  шагом  10  °C.  Графики  зависимости  концентрации  водорода  от  давления  при  различных  температурах  представлены  ниже. 

Результаты  измерений  дают  информацию  о  максимальном  количестве  поглощенного  водорода  при  заданной  температуре  с  увеличением  давления.  Также  эксперимент  позволяет  определить  влияние  температуры  на  способность  материала  запасать  водород  при  данных  условиях  и  проверить  изменение  концентрации  водорода  в  образце  при  циклическом  насыщении  и  постоянном  давлении.

Рисунок  1.  График  зависимости  концентрации  водорода  от  давления  при  температуре  –30  ^оС

Из  полученного  графика  следует,  что  максимальное  количество  сорбируемого  водорода  составляет  7  масс%  при  давлении  8  атм.  Десорбция  водорода  из  образца  углеродного  материала  осуществлялась  также  при  –30  ^оС.  Как  можно  наблюдать,  остаточная  концентрация  водорода  составляет  2  масс%.

Рисунок  2.  График  зависимости  концентрации  водорода  от  давления  при  температуре  –20  ^оС

При  снижении  температуры  сорбции  -20^оС  происходит  снижение  концентрации  поглощенного  образцом  водорода  примерно  на  1  масс%  и  составляет  около  6  масс%.  Также  наблюдается  и  снижение  остаточного  водорода  при  десорбции  до  1  масс%.

Рисунок  3.  График  зависимости  концентрации  водорода  от  давления  при  температуре  –10  ^оС

При  увеличении  температуры  на  20  ^оС  среднее  значение  сорбционной  емкости  около  5  масс%,  а  концентрация  не  десорбированного  из  образца  водорода  менее  0,5  масс%.

Измерение  сорбционной  емкости  при  0^оС  дает  уменьшение  концентрации  поглощенного  водорода  в  2  раза  сравнительно  с  –30  ^оС  и  составляет  около  3,5  масс%. 

Сорбционная  емкость  материала  при  10  ^оС  составляет  около  3,2  масс%.  Остаточное  количество  водорода  около  0,2  масс%.

Рисунок  4.  График  зависимости  концентрации  водорода  от  давления  при  температуре  0  ^оС

При  увеличении  давления  в  камере  от  0  до  8  атм  количество  поглощенного  водорода  материалом  увеличивается  не  зависимо  от  температуры  процесса.  Но  количество  водорода,  поглощенного  образцами  при  температуре  минус  30  °С  в  2  раза  выше  количества  водорода,  сорбированного  при  температуре  0  °С  при  8  атм.

Предельная  концентрация  водорода,  сорбированного  углеродным  материалом,  полученным  конверсией  природного  газа,  достигает  7  масс%  при  температуре  –30  °С  и  давлении  8  атм.

Список  литературы:

1.Еремин  В.В.  Материалы  курса  «Нанохимия  и  нанотехнология»:  лекции  5—8.  М.:  Педагогический  университет  «Первое  сентября»,  2009.  —  96  с. 

2.Тарасов  Б.П.,  Гольдшлегер  Н.Ф.  Сорбция  водорода  углеродными  наноструктурами.  —  Альтернативная  энергетика  и  экология,  —  2002.  —  №  3.  —  С.  20—38.

3.Жерлицын  А.Г.,  Шиян  В.П.,  Медведев  Ю.В.,  Галанов  С.И.,  Сидорова  О.И.  Получение  углеродного  наноматериала  и  водорода  из  природного  газа  под  действием  СВЧ-излучения  //  Известия  вузов.  Физика.  —  2007.  —  №  10/3.  —  С.  280—284.