β-沸石模板碳材料在氢气和甲烷存储中的结构优化与性能突破

研究人员针对清洁能源存储需求，通过化学和热后合成处理调控β-沸石模板碳材料（β-ZTCs）的孔结构和表面官能团，发现其微孔主导特性（占比90%）在77 K下实现6.4 wt% H2和18.7 wt% CH4的高效吸附，体积存储密度分别达40 g/L和110 g/L，为替代高压压缩技术提供新思路。

　　

全球变暖与能源转型背景下，氢气和甲烷作为清洁能源载体的高效存储成为关键挑战。传统压缩和低温液化技术能耗高且安全性差，而多孔材料吸附法因可逆性强、能耗低备受关注。沸石模板碳材料（ZTCs）凭借超高比表面积（>2000 m²/g）和可调控的纳米孔结构，被视为理想吸附剂候选，但其性能受孔道有序度和表面化学性质的显著影响。

为优化存储性能，研究团队通过化学气相沉积（CVD）法合成β-沸石模板碳（β-ZTC），并设计两种后处理方案：化学还原（NaBH₄处理，β-ZTC_C）和热化学联合处理（β-ZTC_HC）。通过X射线衍射（XRD）、热重分析（TGA）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线光电子能谱（XPS）等表征手段，系统分析材料结构演变。氮气吸附测试显示所有样品均保持9 ?超微孔主导结构，微孔体积占比高达90%。

结构表征揭示关键发现
XRD显示处理后材料长程有序度降低（β-ZTC_C有序度降至70.8%），但微孔骨架保持稳定。XPS证实化学处理使sp³碳比例增加2%，同时表面羰基（C=O）含量上升，酚羟基（C-OH）减少。FT-IR半定量分析显示β-ZTC_C的C=O/C=C面积比从0.04升至0.13，表明氧官能团重构。

气体吸附性能突破
在77 K/80 bar条件下，原始样品β-ZTC_R的H₂吸附量达6.4 wt%，体积存储密度40 g/L，接近液氢密度（0.068 g/cm³）。室温测试中，材料对CH₄/H₂的吸附选择性比高达10:1，其中β-ZTC_R在低压力区选择性可达15:1，凸显其在气体分离中的应用潜力。甲烷吸附容量（18.3 wt%）显著优于多数碳基材料，归因于微孔尺寸（9 ?）与CH₄分子动力学直径（3.8 ?）的精准匹配。

技术优势与产业价值
研究首次证实β-ZTC在相同温压条件下，其体积储氢密度相当于空罐压缩至140 bar的10倍。通过调控沸石模板类型（Beta vs 13X），实现更密集的孔道排布（12.5 ?层间距），使材料比表面积与孔体积比值（S_BET/V_T）优化至2276 m²/cm³。这种“原子级薄壁”微孔结构突破了传统Chahine规则预测值（实测6.5 wt% vs 理论5 wt%）。

该研究发表于《Applied Materials Today》，为设计下一代吸附材料提供重要范式：通过精确控制模板沸石的拓扑结构，可定制化开发兼具高容量和选择性的储能材料。未来通过规模化合成和孔道功能化深度优化，β-ZTCs有望在车载储氢、沼气提纯等领域实现商业化应用。