氢气吸附的应用和实验要求

氢的储存和燃料电池的应用开发需要恰当和准确的方法，因此，设计可以氢气贮藏和分离的多孔材料的表征方法是非常重要的。

由于在室温下，氢气处于超临界状态（这是氢气存储应用的客观条件），只能通过提升压力来增加储氢量。然而，在低于大气压的压力下进行氢吸附实验，仍然可以提供关于吸附剂的储氢潜能的重要信息。多孔材料能在其微孔中富集氢气等气体分子，在很大程度上取决于孔径和所谓的超微孔（孔径<0.7nm）。现在已经能够通过微观的方法来分析氢吸附数据，得到关于超微孔大小和分布的信息。

氢吸附等温线：

见左图所示。在环境温度下，典型的常压H 2吸附量是比较低的，但降低温度后，吸附量显著提高。在不同温度下测得的吸附数据可以用来计算吸附的等量吸附热（Q ST ）。计算该热力学函数的是的克劳修斯- 克拉贝龙方程（Clausius-Clapeyronequation），它不需要任何微观模型。从活性碳纤维ACF10的氢吸附等温线可以计算出Q ST ，然后将吸附热与吸附量的函数关系作图，见图96-2。Q ST 图与吸附能量分布有关，是H 2 分子和各种固体吸附部位之间相互作用能量的定性描述。 Q ST 图还可以用于比较不同的材料的吸附性能。 吸附热高的材料具有宽泛的吸附量范围，在环境温度下会显示较高的吸附能力。

超微孔的分析应用：

多孔材料的孔结构一般用孔径分布（PSD）表征。我们一般都是在77K进行氮吸附，测得吸附等温线后再进行分析的。然而，因为孔径的限制或由于非常缓慢的扩散过程，其它分子无法进入H 2能进去的部分孔道。因此，人们自然想到用H 2 直接作为吸附气体进行多孔材料的PSD分析。这样做是可行的，将密度泛函理论（DFT）应用于多孔碳材料氢吸附等温线的PSD分析，已取得初步成果。由氢气测得的这种碳材料的孔体积比用氮气测得的大，因为对一部分超微孔，H 2 能够进入，而N 2 进不去，所以，N 2 吸附造成部分超微孔的孔道信息缺失。

在低于大气压力下， 各种温度下的氢吸附数据可以为多孔材料的表征提供定量和/或定性的信息，进而反映出储氢材料适用性。 虽然已经有商品的Cryocooler低温恒温系统 （温度从20K到320K变温）供应，但最方便的实验还是在77K和87K下测量氢吸附等温线。对于微孔材料，氢气在压力约10 -4 atm时开始能看到吸附。

必须注意的是，氢的临界温度约为33K。因此，无论在液氮（77K）或液氩（87K）温度，还是在室温下，测量都是在超临界条件下进行的。在这样一个条件下，不存在饱和压力P 0 的定义，所以，不可能进行传统的BET分析了（即截面积值是无意义的）。

为了测量在该压力范围内的吸附，应该选择具有微孔能力测定的仪器，并在软件中进行一些特定的设置和调整，以适用于H 2 的测量：超临界条件下， 没有 P 0 可用。 实际上， 用户应该在物理吸附分析参数窗口中选择 “输入 P 0 ” ：760mmHg。在这种情况下，等温线的压力值（横轴坐标）将以大气压（atm）来表示。

II  对于非理想气体校正因子，应使用以下单位以(torr)-1表示的值：

a)  2.2x10-6 @77K

b)  1.2x10-6 @87K 

c)  1.0x10-7 @273K

III  软件需要输入一个横截面积参数值（只有温度低于临界温度时，才有意义） 。我们建议使用 12.3?2 /molecule.

IV 与氮气或氩气相比，因为氢气具有较低的粘度，建议设置氢气钢瓶的调节器压力为6psig，而不是在氮气情况下的10psig。