金属有机架构物(MOFs)吸附储氢系统强化传热措施分析

选择MIL-101(Cr)并由溶剂热法合成,通过氢吸附平衡测试、在内容积为0.5 L储罐内进行充放氢试验和数值模拟,比较储罐内吸附床在添加膨胀石墨(ENG)和布置蜂巢状传热装置(HHED)下的储放氢性能。研究发现,在77.15~87.15 K、0~6 MPa范围,Toth方程预测氢在MIL-101(Cr)及其与ENG复合试样上吸附平衡数据的平均相对误差小于3.2%,氢在试样上的平均等量吸附热均为2.88 kJ/mol。77.15 K、0~3.5 MPa时,在与船舶燃料电池电力推进系统典型载荷适配的氢流率下,建立的二维数学模型对充气过程的数值模拟结果与测试值之间的平均相对偏差小于2%;与添加10 wt%的ENG相比,布置HHED的有效放气时间缩短14.3%、累计放气量增多15.5%、脱附率(DR)提高2.2%,在3.5 MPa时的可利用容积比率(UCR)提高10.6%。船用金属有机架构物(MOFs)储氢系统可选择布置HHED以缓解充放氢过程的热效应。

氢在碳基材料穿插MIL-101(Cr)试样上的吸附平衡

为了实现由碳基材料穿插提高金属有机框架物(MOFs)储氢容量的目的,选择质量分数分别为1%的活性炭和石墨烯穿插MIL-101(Cr)。通过试样的结构表征、微观形貌观察与氢吸附等温线测试,从吸附平衡模型和吸附热两方面来比较其储氢行为。结果表明,在77.15~87.15 K、0~6 MPa,氢在AX-21活性炭穿插(AM-01)和氧化石墨烯(GO)穿插(GM-02)试样上的储氢量比穿插前提高了41.1%和17.4%;相对于Langmuir方程和Langmuir-Freundlich(L-F)方程,Toth方程的预测精度最高,77.15 K时,Toth方程预测氢在AM-01和GM-02上吸附量的平均相对误差分别为0.55%、0.41%;氢在AM-01和GM-02上的等量吸附热分别为2.96~8.64 kJ·mol^(-1)、3.06~8.57 kJ·mol^(-1)。由GO或高比表面积的活性炭穿插可增大储氢容量,吸附平衡分析可选用Toth方程。

甲烷在MIL-101(Cr)和AX-21上吸附平衡的比较分析

为研制高效的吸附式天然气(ANG)用吸附剂,比较了甲烷在MOFs和典型碳基材料上的吸附平衡。实验所用吸附材料MOFs选用MIL-101(Cr),碳基材料选用AX-21活性炭,其中MIL-101(Cr)以醋酸钠作为矿化剂由溶剂热法制备而成。对两试样进行了微观形貌分析、结构表征,并在0~7 MPa、293.15~313.15 K条件下进行了甲烷吸附平衡数据测试,比较了吸附平衡模型的预测精度以及甲烷在试样上的等量吸附热。结果表明,制备的MIL-101(Cr)试样和AX-21活性炭的结构均适合于甲烷吸附,但前者的BET比表面积、微孔容积均比后者大;在测试范围内,甲烷在MIL-101(Cr)试样上的吸附量和等量吸附热均比其在AX-21活性炭上的大;甲烷在MIL-101(Cr)、AX-21活性炭上吸附平衡数据的Toth方程预测值平均相对误差分别为0.12%、0.62%,通过等温线线性化确定极限压力修正的DA方程的平均相对误差分别为0.37%、1.32%。综上,以MOFs系列中的MIL-101(Cr)作为ANG吸附剂将比活性炭更具有应用前景。