已經(jīng)應(yīng)用在很多領(lǐng)域的沸石如今又被發(fā)現(xiàn)可以用來(lái)作為礦物儲(chǔ)氫材料。礦物儲(chǔ)氫材料是指自然界中具有結(jié)構(gòu)性納米孔道的天然多孔礦物,晶體內(nèi)有大量的空穴和孔道,其納米孔道具有一維、二維或三維的尺度。由于礦物表面粗糙,比表面較大、表面能較高,常常具有極性從而對(duì)氫分子產(chǎn)生吸引,所以礦物儲(chǔ)氫的原理除了有物理吸附外,還有化學(xué)吸附。礦物儲(chǔ)氫材料的吸附性能一般與其比表面積成正相關(guān),其中內(nèi)表面的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于外表面。
礦物儲(chǔ)氫的優(yōu)點(diǎn)是儲(chǔ)氫方式簡(jiǎn)單,成本較低。此外,對(duì)礦物進(jìn)行改性,可以進(jìn)一步提高儲(chǔ)氫性能。天然沸石具有良好的熱穩(wěn)定性、整齊的孔道結(jié)構(gòu)、分子大小的孔徑尺寸、強(qiáng)吸附性、高比表面積等特點(diǎn),是常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的天然礦物材料之一,已被廣泛用作吸附劑、重金屬和放射性元素固定、離子交換劑和催化劑,并用于氨-氮吸附以及氣體的凈化、污水的處理等。沸石的表面積高達(dá)100~500m2/g,按照孔道特征可以分為一維、二維和三維體系。但對(duì)沸石能否作為理想的儲(chǔ)氫材料,眾學(xué)者分歧很大。
有研究人員發(fā)現(xiàn),磨細(xì)的沸石粉樣品具有較高的氫吸附能力,吸附氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)7%。Vitillo等發(fā)現(xiàn)在77K時(shí),沸石的儲(chǔ)氫質(zhì)量密度最大為1.81%。Weitkamp等發(fā)現(xiàn),含Na+、K+、Rb+等可交換陽(yáng)離子的A型沸石(除CsA沸石)均有氫氣吸附性能,但效果并不理想。Anderson等發(fā)現(xiàn),在低溫77K、壓力4MPa下,沸石Na-X的儲(chǔ)氫質(zhì)量密度最大為2.55%。針對(duì)實(shí)驗(yàn)中沸石儲(chǔ)氫性能的不同,有學(xué)者認(rèn)為這主要是由于沸石復(fù)雜的微孔結(jié)構(gòu)所造成的,沸石的微孔結(jié)構(gòu)被沸石的化學(xué)成分、骨架特征及其所含的陽(yáng)離子所影響,而形成獨(dú)特的孔籠或孔道組成的二維或三維的復(fù)雜孔道體系。一些學(xué)者從理論上進(jìn)行研究,通過(guò)采用巨正則蒙特卡洛和分子動(dòng)力學(xué)等手段模擬氫氣分子在沸石中的吸附擴(kuò)散行為。Vitillo等采用分子動(dòng)力學(xué)模擬預(yù)測(cè)77K時(shí),沸石質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度為2.65%~2.86%。Du等采用巨正則蒙特卡羅(GCMC)方法模擬了ZSM-5分子篩中分子氫在過(guò)臨界溫度時(shí)的吸附特性,發(fā)現(xiàn)隨著溫度的降低和壓力的增加,氫的吸附量增加。在25K和10MPa時(shí),吸氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高為2.24%。