氢在煤上的吸附及其潜在的能量机制

《Energy & Fuels》：Hydrogen Adsorption on Coal and the Underlying Energy Mechanisms

氢气在长焰煤、焦煤及无烟煤中的吸附热力学与动力学特性研究表明，其吸附能（1.78-3.47 kJ/mol）仅为甲烷的12.5%，主要受范德华力主导。吸附速率符合伪二阶模型，扩散活化能（5.54-8.09 kJ/mol）与煤孔隙结构和相互作用能相关，呈现焦煤＞无烟煤＞长焰煤顺序。温度升高和煤阶增加均提升吸附量，但降温时释氢速率低于甲烷。该研究为煤基储氢工程优化提供了理论依据。

　　

由于煤层氢存储具有大规模、长期、低成本且安全的氢存储潜力，因此受到了广泛关注。本研究选取了三种不同等级的煤样：长焰煤（CYM）、焦煤（JM）和无烟煤（WYM）。通过结合物理实验和分子模拟的方法，研究了在313.15至353.15 K的温度范围和0至2.5 MPa的压力范围内，H₂吸附的热力学和动力学特性及其能量机制。结果表明，H₂在煤上的吸附主要受范德华力（?4.358至?3.298 kJ/mol）的支配，其吸附能量仅占CH₄的1.18%。随着温度的升高，吸附过程符合朗缪尔-弗伦德利希（Langmuir–Freundlich）模型，而饱和吸附容量呈下降趋势。H₂吸附过程中的等温吸附热（1.78至3.47 kJ/mol）仅为CH₄的12.5%，因此其热响应明显较弱。不同等级煤上H₂的吸附热和温度变化顺序为：WYM > JM > CYM。H₂在煤上的吸附动力学符合伪二级动力学模型。吸附速率常数k₂随温度升高而增大，随扩散活化能的增加而减小，并且与压力变化无显著相关性。H₂的扩散活化能（5.54至8.09 kJ/mol）受煤孔结构和相互作用能量的共同影响，其活化能顺序为JM > WYM > CYM。与CH₄相比，H₂的扩散活化能降低了约33.33%，这使得在煤中进行高效且低能耗的氢存储充放电成为可能。因此，氢存储工程需要根据存储容量以及注入/提取的灵活性要求，对煤的等级和温度参数进行全面评估和优化。