Сорбционные свойства композитов на основе терморасширенных графитов

Сорбционные свойства композитов на основе терморасширенных графитов

Сорбционные свойства композитов на основе терморасширенных графитов

Н. В. Чесноков, Б. Н. Кузнецов, Н. М. Микова, В. А. Дроздов

Наиболее масштабные перспективы использования водорода в энергетике связаны с двумя областями — водородными топливными элементами и двигателями внутреннего сгорания. Использование водорода в качестве альтернативы жидкому топливу требует решения задачи его компактного хранения, а для эффективной работы электродов топливных элементов нужны новые материалы с заданным комплексом свойств.

В последние годы активно ведутся исследования по разработке систем хранения водорода, использующих нанопористые углеродные материалы, такие как углеродные нановолокна и нанотрубки, фуллерены [1, 2]. Имеющиеся литературные данные о способности пористых углеродных материалов (ПУМ) аккумулировать водород достаточно противоречивы. Тем не менее, очевидно, что для достижения хороших показателей по водородной емкости ПУМ должны обладать развитой микропористостью [3]. Поскольку масштабы использования ПУМ во многом ограничиваются их достаточно высокой стоимостью, весьма актуальны исследования, направленные на разработку новых принципов и методов получения ПУМ с заданной структурой и пористостью из дешевого природного сырья, например из природных графитов.

Уникальным свойством некоторых соединений ин-теркалирования графита (СИГ) является их способность в десятки и сотни раз увеличиваться в объеме при нагревании с образованием терморасширенного графита (ТРГ). Благодаря своей химической инертности, термостойкости, упругопластическим свойствам ТРГ используются в производстве различных углеродных изделий. Однако до сих пор недостаточно исследованы их пористая структура и адсорбционные свойства.

Ранее было показано, что ТРГ имеют развитую микропористую структуру, представленную порами с размерами меньше 1,0 нм [4]. При условии формирования в ТРГ нанопор их можно рассматривать в качестве перспективных материалов для водородо-адсорб-ционных систем.

В работе представлены данные по исследованию текстурных характеристик и адсорбционных свойств в отношении водорода терморасширенных природных графитов и нанокомпозитов палладий/терморасширенный графит.

Получение и исследование терморасширенного графита

В качестве объектов исследования использовались два типа ТРГ, полученных термообработкой (терморасширение) интеркалированых графитов в стационарном реакторе при температуре 1173 К, время термообработки составляло 30 с. Образцы ТРГ-1 получены термообработкой природного графита Завальевско-го месторождения (Украина), интеркалированного азотной и ледяной уксусной кислотами, а образцы ТРГ-2 термообработкой того же графита, интеркалированного азотной кислотой.

Палладий содержащие образцы готовили пропиткой ТРГ водно-спиртовым раствором H2PdCl4. Содержание палладия во всех катализаторах составляло около 1%(масс.).

Данные о текстурных характеристиках образцов ТРГ получены из анализа изотерм адсорбции N2 (77 К) и СО2 (273 К). Адсорбционные измерения проводили на объемной вакуумной статической автоматизированной установке «Sorptomatic-1900». Изотермы адсорбции азота измеряли в интервале относительных давлений паров 10~3—0,999 при 77 К. Изотермы адсорбции диоксида углерода сняты при 273 К в области относительных давлений адсорбтива 4 • 10~5—0,03.

Таким образом, изотерма адсорбции азота измерена для всех областей Р/Р$, где может протекать адсорбция в микропорах, мезопорах и на внешней поверхности, включая область полимолекулярной адсорбции и капиллярно-конденсационного гистерезиса в мезопорах. Изотерма адсорбции СО2 в области Р/Р$ 10~5—10~2 соответствует адсорбции лишь в микропорах [5, 6].

Измерения адсорбции водорода проводили на объемной вакуумной статической установке «Sorpto-matic-1900». Измерения проводили в интервале абсолютных давлений водорода 1—1000 торр при температуре 77, 303 и 373 К. На одной навеске адсорбента в одной и той же измерительной бюретке проводили всю серию измерений, начиная с температуры адсорбции 77 К, затем 303 К и 373 К, после чего возвращались к первоначальной температуре.

Все образцы перед адсорбционными измерениями (азот, диоксид углерода, водород) проходили стандартную тренировку в вакууме при 573 К до остаточного давления ниже 1 Па в течение 24 часов перед каждым измерением адсорбции.

Изотермы адсорбции N2 при 77 К имеют обратимый характер и их форма соответствует монослойной-многослойной адсорбции на непористых или макропористых твердых телах (П-тип изотерм физической адсорбции по классификации BDDT). Изотермы не имеют насыщения в области относительно высоких давлений (Р/Рд —> 1), что затрудняет определение суммарного адсорбционного объема пор. Поэтому измерения проводились при P/PQ = 0,996. Полученные результаты представлены в таблице 1.

Исследованные образцы (табл. 1) различаются по удельной поверхности (>$БЭТ) и пористости. Известно [7], что некоторые микропоры недоступны для адсорбции молекул N2 при 77 К из-за диффузионных ограничений. Однако молекулы СО2 могут проникать в такие поры при определенных условиях проведения адсорбционного процесса (температура 273—298 К, Р/Р0 < 0,03).

Детальное исследование микропористости образцов терморасширенного графита было проведено по адсорбции СО2 при 273 К (табл. 1). Наиболее развитая микропористая структура наблюдается для образца ТРГ-1, который также имеет наибольшее значение суммарного адсорбционного объема пор (J^ds)-

Высокие значения поверхности микропор (>Smicro), рассчитанные по данным адсорбции СО2 при 273 К, существенно более низких значениях поверхности по БЭТ, рассчитанной из адсорбции азота, указывают на наличие в исследуемых образцах большого количества ультрамикропор (менее 0,6—0,7 нм), недоступных молекуле азота при 77 К из-за диффузионных ограничений. Этот факт описан в [7] и принимается во внимание при сопоставлении результатов адсорбции двух адсорбтивов.

На рис. 1, 2 приведены изотермы адсорбции водорода при 303 и 373 К на исходных образцах терморасширенного графита ТРГ-1 и ТРГ-2 и после нанесения на них палладия. Все изотермы имеют линейный характер, следовательно, в данной области давлений и температур адсорбция водорода протекает в области Генри. Отметим, что изотермы адсорбции

Таблица 1

Текстурные характеристики образцов терморасширенного графита