氢能作为一种清洁、高效、安全、可持续的新能源，被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，是人类的战略能源发展方向。储氢技术是氢能从生产到应用的关键桥梁，水合物法储氢技术（Hydrate-based hydrogen storage，HBHS）是一种新型储氢技术，旨在将氢气分子在水合物热力德赢新版app成条件下（低温与高压）储存在水合物笼形结构中以达到稳定的保存。氢气水合物中的氢气以分子形式储存，具有较高的储气密度，可以实现氢气的安全储存和可控释放，是一种有前途的替代方案。
然而HBHS技术的规模应用尚存在亟待解决的科学问题：首先，氢气水合物对热力德赢新版app成条件的要求较为苛刻，能源成本高；其次，气液扩散传质过程和水合物潜热也会影响氢气水合物的生成动力学，限制储氢密度。因此，有必要开发高效水合物热力学促进剂，同时加强氢气水合物生成过程中的传热和传质问题，用以提高二元氢气水合物的生成速率和储氢容量
近日，华南理工大学化学与化工土耳其里拉兑换人民币王燕鸿、樊栓狮团队提出了将不锈钢筛网引入到热力学促进剂1,2-环氧环戊烷（ECP）水合物颗粒体系中促进二元氢气水合物的形成，实现二元氢气水合物在更加温和的条件下生成，同时具有较快的生成速率和高储氢量。氢气水合物相扩散模型认为水合物相是由于氢气分子吸附到颗粒表面（吸附过程），随后氢气分子扩散到笼形水合物中（扩散过程）而形成的。因此本研究以增强氢气的吸附和扩散过程为出发点，改变水合物颗粒粒径以强化氢气分子的吸附，同时将水合物颗粒分散在导热性能优异的不锈钢筛网中，强化水合物生成过程的氢气扩散和热量传递。
该研究首先研究了验证了在273.25 K，12.2 MPa下，不同动力学强化方式对 5.56%（摩尔）ECP溶液体系的水合储气效果，对比发现ECP水合物颗粒体系在水合物生成过程中可以有效降低水合诱导时间，使得诱导时间趋于0，意味着氢气分子可以立即进入到水合物笼中，最大储气速率达到257.22 cm3/cm3 hydrate·h?1，最大储氢容量为34.2 cm3/cm3 hydrate，与静态的ECP溶液体系相比，储气速率和储氢量分别增加了241.8%和128%，且较SDS体系，ECP水合物颗粒体系避免了水合物相在气液界面处成核形成水合物薄层的问题，有效解决了氢气分子难以连续生长的限制。同时，与SSF体系相比，ECP水合物颗粒提供了足够的气固接触面积，并且也具有一定的去除水合反应热的能力。避免了新的水合物层生成从而阻碍氢气分子的传质过程。综合考虑，ECP水合物颗粒体系可以有效提高氢气水合物生成速率，缩短诱导时间，并且提高了H2的储存容量。
研究还比较了不同粒径的ECP水合物颗粒对水合物储气的促进效果（图1），实验前1h水合物的储气容量存在明显差异，而在实验1 ~ 5 h、5~10 h和10~25 h阶段，不同粒径的水合物生成速率基本相似。表明水合物初始阶段主要受H2吸附过程的控制。水合物颗粒比表面积的增大有利于氢气分子的吸附过程。随着水合反应的继续，水合物的形成过程将从吸附过程控制转为主要受控于H2向水合物相的扩散过程。在1 ~ 25h期间，储氢量虽然不随颗粒粒径的变化而变化，但随时间的增加而减小。1-5h的吸气量是10~25h的3-4倍。在氢气扩散阶段，H2分子可以穿透、迁移并储存在水合物层中。但随着扩散的进行，含H2分子的水合物层变厚，H2扩散需要更大的驱动力和更多的时间。
图1.不同ECP水合物颗粒粒径下储气容量的阶段性变化
为了进一步加强ECP水合物颗粒中氢气水合物的形成，引入不锈钢筛网以更好地分散水合物颗粒。相同粒径的ECP水合物颗粒放置在不锈钢筛网上，有利于颗粒的分散，同时提供了传热通道（图2）。在反应的前1h，水合物生成过程为吸附控制阶段，氢气能迅速吸附在水合物颗粒上。相同尺寸、外表面面积相近的水合物颗粒在反应前1h的平均储气速率相似。在反应初始阶段，水合物沿水合物颗粒表面快速形成，因此颗粒比表面积是影响水合物生成速率的关键因素。反应1h后水合物的生成速度减慢，形成过程进入扩散控制阶段。随着不锈钢筛网数量的增加，储氢量增加，表明筛网增强了扩散控制阶段水合物的生成速率。其中不锈钢筛网主要起两个作用，一是良好的导热性，降低了水合物生成热的影响，二是分散水合物颗粒，缩短氢气分子在水合物孔隙中的扩散距离，降低传质阻力。结果表明，水合物形成后2 ~ 40小时左右，储氢量进一步提高，3层筛网体系的储氢容量为71.2 cm3/cm3 hydrate，相应的重量存储容量为0.64 wt%，高于相似条件下的水合物颗粒体系。
图2.ECP水合物颗粒储气容量在多层筛网下的阶段性变化
相关工作成果近日以”环氧环戊烷水合物在中压下快速高效储氢”(Rapid and high hydrogen storage in epoxycyclopentane hydrate at moderate pressure)为题发表在水合物领域国际期刊《Energy》。
文章通讯作者为华南理工大学化学与化工土耳其里拉兑换人民币王燕鸿副研究员，第一作者为华南理工大学化学与化工土耳其里拉兑换人民币博士生陈思远，论文作者还包括化学与化工土耳其里拉兑换人民币樊栓狮教授、郎雪梅副研究员和李刚教授。该研究得到了国家自然科学基金(51876069，21736005)的支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.energy.2023.126638
