Локализация водорода в поровом пространстве активированного угля

Abstract

Методом низкотемпературной 1Н ЯМР-спектроскопии в квазиизобарических условиях (Р = 1,1·105 Па) изучена адсорбция водорода на активированных углях (АУ), полученных путем карбонизации пористых фенолформальдегидных смол с последующей активацией СО2 со степенью обгара 86% (АУ-86) и 47% (АУ-47). Показано, что адсорбция водорода в порах АУ-86 с удельной поверхностью 3463 см2/г в квазиизобарических условиях (Р = 1,1 105 Па) увеличивается с ростом концентрации предадсорбированной воды. В случае присутствия в образце 40 мг/г Н2О адсорбция водорода достигает 1,4 мг/г при Т = 200 К. Установлено, что адсорбированный водород локализован в щелевидных микропорах в областях порового пространства, для которых экранирующий эффект поверхности близок к нулю. Полученные результаты объяснены существованием для щелевидных пор трех минимумов на сечении поверхности потенциальной энергии адсорбции, два из которых локализованы у стенок пор (где экранирующий эффект поверхности высокий), а третий – в средней части пор (с экранирующим эффектом, близким к нулю). Все адсорбаты (вода, насыщенные углеводороды), кроме водорода, локализуются преимущественно у стенок пор. С понижением температуры часть воды может смещаться в среднюю область пор, что приводит к уменьшению экранирующего эффекта поверхности. Адсорбированный водород локализован в средней области пор в присутствии ко-адсорбатов или в очень узких порах, куда другие адсорбаты не проникают.

Методом низькотемпературної 1Н ЯМР-спектроскопії в квазіізобаричних умовах (Р=1,1·105 Па) вивчена адсорбція водню на активованих вугіллях (АУ), одержаних шляхом карбонізації пористих фенолформальдегідних смол з наступною активацією СО2 зі ступенем обгару 86% (АУ-86) і 47% (АУ-47). Показано, що адсорбція водню в порах АУ-86 з питомою поверхнею 3463 см2/г збільшується в п’ять разів із зростанням концентрації передадсорбованої води. У разі присутності в зразку 40 мг/г Н2О адсорбція водню досягає 1,4 мг/г при Т=200 К. Встановлено, що адсорбований водень, локалізований в щілиноподібних мікропорах в областях порового простору, для яких екрануючий ефект поверхні дорівнює нулю. Одержані результати пояснено з точки зору існування в щілиноподібних порах трьох мінімумів на перетині поверхні потенційної енергії адсорбції, два з яких розташовані у стінок пор (де екрануючий ефект поверхні великий), а третій – в середній частині пор (з екрануючим ефектом близьким до нуля). Всі адсорбати, крім водню (вода, насичені вуглеводні), локалізуються переважно біля стінок пор. З пониженням температури частина води може зміщуватися в середню область пор, що приводить до зменшення екрануючого ефекту поверхні. Адсорбований водень локалізований лише в середній частині пор в присутності ко-адсорбатів або в дуже вузьких порах, куди інші адсорбати не проникають.

Adsorption of hydrogen on activated carbons (ACs) was studied in quasi-isobaric conditions (P = 1.1·105 Pa) using low-temperature 1H NMR spectroscopy. The ACs were prepared by carbonization of porous phenol-formaldehyde resin beads with subsequent activation by CO2 with the burn-off degree of 86% (AC-86) and 47% (AC-47). It has been shown that the hydrogen adsorption increases with increasing concentration of water pre-adsorbed in pores of AC-86 (specific surface area 3463 cm2/g). In the case of the water adsorption in the amounts of 40 mg/g, the hydrogen adsorption reaches 1.4 mg/g at T = 200 K. The adsorbed hydrogen was localized in the slit-shaped pores where the zero shielding effect of the surface was shown. The results obtained are explained by the existence of slit-shaped pores with three minima in the cross section curve of the potential energy of adsorption, and two of them are localized near the pore walls (where the shielding effect of the surface is larger) and the third one is in the middle of pores (where the shielding effect is close to zero). All adsorbates with exception of hydrogen (water, saturated hydrocarbons) are localized mainly at the pore walls. A part of water can be moved to the middle of pores with decreasing temperature that reduces the screening effect of the surface. Adsorbed hydrogen is localized in the middle space of the pores with the presence of co-adsorbates or in the narrowest pores where co-adsorbates cannot be adsorbed.