低温吸附条件下多孔材料高效储氢技术研究：从金属有机框架到活性炭的性能优化与热力学分析

本研究针对氢能存储中存在的蒸发损失、泄漏和热传导效率低等关键问题，系统探究了MOFs和活性炭在77-112K低温条件下的储氢性能。研究人员通过水热/溶剂热法合成六种MOFs材料，结合体积法测定装置，发现MOF-177和IRMOF-10在5bar/77K条件下分别实现4.09wt%和4.55wt%的储氢容量，吸附相密度达到气相储氢的10-18倍。该研究为设计低温吸附储氢系统提供了重要热力学框架和数据支撑，对推进清洁能源存储技术具有重要指导意义。

　　

氢能作为零碳排的清洁能源载体，其高效存储一直是制约氢能大规模应用的瓶颈。传统液态氢存储需要维持极低温(20K)，而高压气态存储又面临安全隐患。金属有机框架(MOFs)和活性炭等多孔材料通过低温吸附技术，有望在相对温和的条件下实现高密度储氢，但现有研究在材料选择、吸附机理和系统设计方面仍存在诸多挑战。

南洋理工大学(Nanyang Technological University)机械与航空航天工程学院的研究团队在《Next Energy》发表了突破性研究。该工作通过精确控制的水热/溶剂热法合成MIL-101、MOF-177等六种MOFs，结合体积法测定装置(精度±0.2°C)在77-112K低温范围系统测试储氢性能。研究人员创新性地引入吸附相密度概念，建立了包含径向/轴向热传导的能量平衡方程，为储氢系统设计提供理论框架。

关键技术方法包括：1)水热/溶剂热法合成MOFs并采用氮气吸附测定BET比表面积；2)搭建精密体积法测试系统，集成硅二极管温度传感器(精度±0.5°C)和压力传感器(精度0.2%)；3)基于Clausius-Clapeyron方程计算等量吸附热(Q_st)；4)采用修正的Langmuir模型拟合吸附等温线。

【材料特性】

SEM和XRD表征证实MOF-177具有20.15?的平均孔径和1721m²/g的比表面积，而Maxsorb-III活性炭展现出更优异的2690.2m²/g比表面积。

【等温线与动力学】

在77K/5bar条件下，IRMOF-10表现出4.55wt%的优异储氢容量，其吸附相密度达27.5kg/m³，是相同条件下气相密度的15倍。MOF-177也展现出24.9kg/m³的高密度。

【吸附相密度】

温度-密度图揭示吸附系统的闭路滞后现象，Maxsorb-III在77K/5bar时吸附密度达29kg/m³，接近100bar压缩氢气的密度，证实低温吸附可大幅降低存储压力。

【热力学分析】

等量吸附热(Q_st)分析显示MIL-101(Cr)在4wt%负载时吸附热达3kJ/mol，而Maxsorb-III从3.3kJ/mol(亨利区)降至1.5kJ/mol(高负载区)，反映不同材料的能量异质性。

该研究通过系统的实验和理论分析证实，MOF-177和IRMOF-10等材料在77K低温下可实现接近液态氢的吸附密度，且操作压力仅需5bar。创新提出的温度-密度图为储氢系统设计提供了重要工具，其中吸附相密度概念尤其有助于评估实际应用潜力。研究还发现，超过100bar后吸附增强效应减弱，这为确定最佳操作参数提供了关键依据。这些发现不仅推动了多孔材料在能源存储中的应用，也为下一代氢能技术的开发奠定了科学基础。