羟基与羧基功能化多壁碳纳米管的氢吸附动力学机制及储氢性能研究

本研究针对碳基材料储氢容量不足的问题，通过氧化反应合成羟基（-OH）和羧基（-COOH）功能化多壁碳纳米管（MWCNT），结合BET、FTIR、TEM等表征技术，揭示功能化提升介孔体积（MWCNT-OH达1.209 cc/g）和表面极性的作用机制。实验发现MWCNT-OH在80 bar下储氢容量达1.023 wt%，吸附动力学符合伪二级模型，为开发高效无金属储氢材料提供新策略。

　　

在全球能源转型背景下，氢能因其能量密度高（汽油的3倍）、零碳排放等优势被视为21世纪清洁能源的重要载体。然而，经济高效的储氢技术仍是制约其规模化应用的瓶颈。当前主流的高压气态和低温液态储氢存在安全风险与能耗问题，而金属有机框架（MOF）等材料虽性能优异却成本高昂。碳基材料凭借轻质、可修饰性强等特性成为研究热点，但原始碳纳米管（CNT）储氢容量普遍低于1 wt%，且吸附机制研究不足。

针对这一挑战，国内研究人员在《Fuel》发表论文，系统探究了羟基（-OH）和羧基（-COOH）功能化对多壁碳纳米管（MWCNT）储氢性能的影响。研究团队通过FeCl₂·4H₂O/H₂O₂氧化法和混酸（H₂SO₄/HNO₃）处理分别制备MWCNT-OH和MWCNT-COOH，采用多尺度表征结合动力学建模，揭示了表面化学修饰对储氢性能的调控机制。

关键技术方法包括：1）通过BET分析测定比表面积和孔结构；2）FTIR和Raman光谱验证官能团引入及结构变化；3）TEM/SEM观察纳米管分散性；4）77K变压吸附实验测定储氢容量；5）应用伪二级（pseudo-second-order）、Boyd、Avrami和Weber-Morris模型解析吸附动力学。

研究结果方面：

1. 结构表征：FTIR证实-OH（3432 cm^?1）和C=O（1755 cm^?1）特征峰，EDX显示氧含量从3.9 wt%（原始）升至7.6 wt%（MWCNT-COOH）。TEM显示功能化后纳米管分散性改善，AFM测得表面粗糙度从10.33 nm（原始）增至17.85 nm（MWCNT-COOH）。

2. 孔结构变化：BET表明功能化降低比表面积（271→199 m²/g），但MWCNT-OH介孔体积提升144%（0.496→1.209 cc/g），与其最高储氢容量直接相关。

3. 储氢性能：在80 bar下，MWCNT-OH储氢量达1.023 wt%，较原始样品（0.537 wt%）提升90%。等温线显示多层吸附特征，吸附平衡仅需2分钟。

4. 动力学机制：伪二级模型（R²>0.98）拟合最优，q_e(exp)与q_e(cal)误差<5%。Weber-Morris双线性曲线证实吸附分两步：先外表面快速吸附，后介孔扩散（k₁=20.22 μmol/g·min^1/2>k₂=4.92）。

结论指出，氧功能化通过三重效应提升储氢性能：1）表面极性基团增强H₂分子相互作用；2）介孔扩容提供更多吸附位点；3）改善的分散性暴露活性表面。该研究首次系统阐明纯氧官能团（不含金属掺杂）对MWCNT储氢的促进作用，其快吸附动力学（<2分钟）和1.023 wt%的容量为车载储氢系统设计提供新思路，符合联合国可持续发展目标（SDG7）。未来研究可探索-OH/-COOH比例调控及工业级放大制备工艺。