專利名稱：儲氣介質(zhì)、儲氣裝置及儲氣方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及儲氣介質(zhì)、具有其的儲氣裝置以及儲氣方法；并且更具體 而言涉及儲氫介質(zhì)、具有其的儲氫裝置、以及儲氫方法。
背景技術(shù)：
化石燃料例如石油的使用產(chǎn)生了嚴重的污染問題并且《1起全球變暖問 題。為了克服這樣的問題，氫作為代用燃料一直受到關(guān)注。氫可由地球上 無限存在的水產(chǎn)生。在產(chǎn)生能量之后，氫又轉(zhuǎn)變回到水。
因此，水永遠不會枯竭。當氫燃燒時，除了產(chǎn)生極少量一氧化二氮之 外不產(chǎn)生污染物。因此，氫被認為是清潔能源。而且，氬可轉(zhuǎn)化為各種類 型的能量。例如，氫通過燃燒轉(zhuǎn)化為熱能。氫還通過內(nèi)燃機轉(zhuǎn)化為機械能， 或者作為燃料電池通過與氧反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能。
然而，雖然氫具有上述的許多優(yōu)點，但是氬尚未被廣泛使用。未廣泛 使用氫的原因之一在于難以在高密度下安全存儲氫。因此，為了使用氫作 為能源，正在進行許多開發(fā)使儲氫容量急劇增加的儲氫介質(zhì)和儲氫方法的 研咒。
作為相關(guān)領(lǐng)域的儲氫方法，已經(jīng)提出了液態(tài)氫存儲方法、氣態(tài)氫存儲 方法、基于合金的儲氫方法、和基于碳納米管的儲氫方法。液態(tài)氫存儲方 法和氣態(tài)氫存儲方法可為危險的，因為液態(tài)氫和氣態(tài)氫在常溫下是高度爆 炸性的。而且，液態(tài)氬存儲方法和氣態(tài)氫存儲方法具有存儲成本昂貴的缺
點?；诤辖鸬膬宸椒▽浯鎯υ诤辖鹬小?br> 雖然其可安全地儲氯，但是由于重量重和儲氫表面積小，因而其具有
商業(yè)化的限制?；谔技{米管的儲氬方法將氫存儲在碳納米管中。由于碳 納米管與合金相比具有更大的表面積，因此使用基于碳納米管的儲氫方法 可存儲更多的氫。碳納米管中的碳材料化學(xué)上非常穩(wěn)定。因此，難以將氫 吸收到碳納米管中和在將氫吸收到碳納米管之后使氫從碳納米管解吸。因 此，儲氫容量可變得減少。
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題
本發(fā)明的實施方式涉及提供通過充分保證用于儲氣的表面積而改進儲 氣效率的儲氣介質(zhì)、具有其的儲氣裝置、以及儲氣方法。
本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點可通過以下描述而理解，并且參照本發(fā)明的 實施方式而變得明晰。而且，對于本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員來說很明顯， 本發(fā)明的目的和優(yōu)點可通過所要求保護的手段以及其組合而實現(xiàn)。 技術(shù)方案
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供儲氣介質(zhì)，其包括各自具有可變化合
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供儲氣裝置，其包括腔室；設(shè)置在所述 腔室中的儲氣介質(zhì)；用于加熱所述儲氣介質(zhì)的加熱部件；和用于冷卻所述 儲氣介質(zhì)的冷卻部件，其中所述儲氣介質(zhì)包括各自具有可變化合價的多個
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供使用包括腔室、設(shè)置在所述腔室中的儲 氣介質(zhì)、用于加熱所述儲氣介質(zhì)的加熱部件、和用于冷卻所述儲氣介質(zhì)的 冷卻部件的儲氣裝置儲氣的方法，包括如下步驟通過加熱部件加熱儲氣
介質(zhì)；將目標材料引入和存儲到所述儲氣介質(zhì)；和通過所述冷卻部件冷卻
有益效果
根據(jù)本發(fā)明的儲氣介質(zhì)、具有其的儲氣裝置、以及儲氣方法提供以下 有益效果。
所述儲氣介質(zhì)包括各自具有可變化合價并且隔開預(yù)定距離的多個材料 層。其層狀結(jié)構(gòu)通過形成在相鄰層之間的間隔而能夠保證大的表面積。因 此，改善了儲氣效率。
在根據(jù)本發(fā)明的具有多層結(jié)構(gòu)的儲氣介質(zhì)中，在層間預(yù)先填充能吸收/ 能解吸的材料，并且在儲氣之前使所述能吸收/能解吸的材料從那里解吸。 因此，通過將化學(xué)穩(wěn)定的氣體容易地存儲到空的(vacant)空間中改善了儲氣 效率。


圖1為說明根據(jù)本發(fā)明實施方式的儲氣裝置的圖。
圖2為圖1中所示的儲氣介質(zhì)的放大圖。
圖3和4為圖示五氧化二釩納米線晶體結(jié)構(gòu)的圖。
圖5為說明根據(jù)本發(fā)明實施方式的儲氣方法的流程圖。
圖7為根據(jù)本發(fā)明實施方式形成的示例性的五氧化二釩納米線晶體結(jié) 構(gòu)的AFM照片。
圖8為顯示根據(jù)本發(fā)明實施方式形成的五氧化二釩納米線晶體的基于 TGA(熱重分析)的儲氫容量的圖。
圖9為說明用于測量儲氫容量的質(zhì)語儀的圖。
圖IO為顯示根據(jù)本發(fā)明實施方式形成的五氧化二釩納米線晶體的儲氦
特性的圖。
圖11為顯示根據(jù)本發(fā)明實施方式形成的五氧化二釩納米線晶體的儲氫 特性的圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的優(yōu)點、特征和方面將從以下參照附圖對實施方式進行的描述 而變得明晰，所述描述將在下文中列出。因此，本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技 術(shù)人員可以容易地使本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思和范圍具體化。另外，如果認為對 相關(guān)技術(shù)的具體描述可使本發(fā)明的要點不分明，則本文中將不提供該具體 描述。下文中將參照附圖具體描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。
圖1為說明根據(jù)本發(fā)明實施方式的儲氣裝置的圖，圖2為圖1中所示 的儲氣介質(zhì)101的放大圖。
參照圖1和2，根據(jù)本實施方式的儲氣裝置包括形成為層狀結(jié)構(gòu)的儲氣 介質(zhì)101。即，儲氣介質(zhì)101包括各自由具有可變化合價的材料制成并且隔 開預(yù)定距離的多個材料層101A。材料層101A必須具有未參與化學(xué)結(jié)合的 多余電子。而且，可在材料層101A之間的間隔102處設(shè)置額外的支撐部件 (未示出)。
在本實施方式中，儲氣介質(zhì)101為具有多層結(jié)構(gòu)的材料。例如，儲氣 介質(zhì)101包括多個薄膜材料層101A和各自形成在兩個相鄰的薄膜材料層101A之間的間隔IOIB。
公知的材料石墨也具有包括與圖2的間隔101B類似的間隔的層狀結(jié) 構(gòu)。然而，雖然石墨可以在其間隔處存儲諸如氬的材料，但是由于石墨與 碳穩(wěn)定結(jié)合，因此石墨無法用作儲氣介質(zhì)。即，困難的是在石墨吸收材 料例如氫氣之前/之后，使諸如氯的材料吸附到石墨中/從石墨解吸。
在本發(fā)明中，利用由多余電子產(chǎn)生的物理和化學(xué)吸引力將待存儲的目 標材料存儲在具有多層結(jié)構(gòu)的儲氣介質(zhì)中。
例如，五氧化二釩為具有層狀結(jié)構(gòu)的過渡金屬。當釩與另一材料化學(xué) 結(jié)合時，根據(jù)釩與氧如何結(jié)合，釩具有五價或者四價。當釩/氧鍵由于釩化 合價的變化而具有缺陷部分時，其多余電子在四周游移。這樣的多余電子 具有容易吸收從外部進入的分子或者原子的特性。即，所述多余電子容易 吸收待存儲的材料。
如果相鄰的兩個釩層隔開比較長的距離例如幾個微米，則其化學(xué)鍵沒 有強到足以影響下一釩層。因此，具有多余電子的不穩(wěn)定化學(xué)鍵與其它化 學(xué)鍵沖突，從而消除其不穩(wěn)定性。而且，當層隔開比較長的距離時，被吸 收材料的解吸能力強于被解吸材料的吸收能力。因此，吸收能力變得降低。 即，當材料被吸收在層之間時，吸收能力通過層的吸引力而提高。然而， 如果層隔開較寬，則吸收能力下降，因為兩層的吸引力減少為一層的吸引 力。
在釩和氧的化學(xué)鍵的情況下，V203的化學(xué)平衡為+3， V02的化學(xué)平衡 為+4。而且，￥205的化學(xué)平衡為預(yù)定比例的+4和+5的釩。根據(jù)化合價的變 化，這種釩/氧鍵具有多余的電子，并且所述多余電子起到對材料進行吸收 的吸引作用。
因此，當具有可變化合價和多余電子的材料具有層狀結(jié)構(gòu)時，所述材 料可容易地吸收另外的材料。而且，所吸收的材料可容易地解吸，因為所 吸收的材料不形成強的化學(xué)鍵。即，這樣的物理和化學(xué)鍵是共價鍵、范德 華鍵、離子鍵、氫鍵、或金屬鍵之一。此外，這樣的物理和化學(xué)結(jié)合可通 過材料的排空和加熱而容易地破壞。
同時，為了對包括氬的材料進行吸收，保證間隔是非常重要的。當材 料形成為包括隔開預(yù)定距離的多個層的層狀結(jié)構(gòu)時，可以保證這樣的間隔。 在該間隔中，根據(jù)材料的化合價，其形成物理和化學(xué)鍵。此處，物理和化學(xué)鍵包括共價鍵、范德華鍵、離子鍵、氬鍵、或者金屬鍵。如上所述，儲氣介質(zhì)101包括多個材料層101A。各材料層101A可由相同材料或者不同材料例如超過兩種材料制成。作為材料層101A，可使用 納米線晶體。所述納米線晶體可形成為納米薄膜、塊體(bulk)、或者膜。而 且，納米線晶體小于500nm2。優(yōu)選地，所述納米線晶體小于100 nm2。所述 納米線晶體包括至少一個縱橫比(長度寬度)大于10的橫截面。優(yōu)選地， 所述縱;晴比可大于50。更優(yōu)選地，所述縱;鏡比可大于100。而且，所述納 米線晶體可由選自半導(dǎo)體納米材料、過渡金屬化合物、和過渡金屬氧化物 的材料制成。作為過渡金屬，使用Sc、 Ti、 V、 Cr、 Mn、 Fe、 Co、 Ni、 Cu、 Zn、 Y、 Zr、 Nb、 Mo、 Tc、 Ru、 Rh、 Pd、 Ag、 Cd、 La、 Hf、 Ta、 W、 Re、 Os、 Ir、 Pt、 Au、 Hg。如果待存儲的材津牛為氬，則該材料可由Pt/Pd化合物 制成。例如，半導(dǎo)體納米材料可由選自如下的材料制成Si、 Ge、 Sn、 Se、 Te、 B、 C(包括金剛石)、P、 B-C、 B-P(BP6)、 B-Si、 Si-C、 Si-Ge、 Si-Sn、 Ge-Sn、 SiC、 BN/BP/BAs 、 AlN/AlP/AlAs/AlSb 、 GaN/GaP/GaAs/GaSb 、 InN/InP/InAs/InSb、 BN/BP/BAs、 AlN/AlP/AlAs/AlSb、 GaN/GaP/GaAs/GaSb 、 InN/InP/InAs/InSb、 ZnO/ZnS/ZnSe/ZnTe 、 CdS/CdSe/CdTe、 HgS/HgSe/HgTe、 BeS/BeSe/BeTe/MgS/MgSe、 GeS、 GeSe、 GeTe、 SnS、 SnSe、 SnTe、 PbO、 PbS、 PbSe、 PbTe、 CuF、 CuCl、 CuBr、 Cul、 AgF、 AgCl、 AgBr、 Agl、 BeSiN2 、 CaCN2 、 ZnGeP2 、 CdSnAs2 、 ZnSnSb2 、 CuGeP3 、 CuSi2P3 、 (Cu,Ag)(Al,Ga,In,Ti,Fe)(S，Se,Te)2、 Si3N4、 Ge3N4、 A1203、 (Al,Ga，In)2(S，Se,Te)3、 Al2CO以及其組合。過渡金屬化合物可由選自作為穩(wěn)定的過渡金屬化合物的Ni化合物(例 如，LaNi5、 MnNi3、 Mg2Ni)、 Ti化合物(例如，TiMn2、 TiV2、 TiFe、 TiCo、 TiVCr、 TiVMn)、 Cu化合物(例如，Mg2Cu)、 Zr化合物(例如，ZrMn2和ZrV2)、 和Li化合物(例如，LiAl)的材料制成。過渡金屬氧化物可為釩氧化物，如V02、 V203和V20s。即，所述過渡金屬氧化物可為具有可轉(zhuǎn)化為多余化合價的化合價的釩氧化物。Pt或Pd化合物可由選自過渡金屬化合物如Pt或Pd和氧化物的材料制 成。例如，雖然在氫傳感器中諸如Pt或Pd的材料吸收氫，但是該Pt或Pd 無法用作吸附劑。然而，如果這種化合物形成層狀結(jié)構(gòu)，則可吸收另外的材料。而且，如果材料像過渡金屬一樣具有一對多余電子，則當諸如氬的 材料被吸收在該材料諸如Pt或Pd中時，所述多余電子使得吸收能力提高， 從而使該材料解吸的比率降低。同時，可通過雜質(zhì)離子摻雜在過渡金屬化合物和過渡金屬氧化物中形 成鍵結(jié)構(gòu)和相關(guān)化合價。這樣的離子摻雜可在樣品合成時進行?；蛘呖稍?樣品合成后使用過渡金屬離子進行離子注入過程。在五氧化二釩納米線的 情況下，將其中Pt或Pd以分子形式存在的材料注入到層之間以改善吸附能 力。如圖3和4中所示，五氧化二釩納米線結(jié)構(gòu)包括五氧化二釩納米線晶 體層201和在層201之間的在合成相關(guān)樣品時所包含的水202。五氧化二釩 納米線晶體層201之間的距離t為約0.67nm,并且五氧化二釩納米線晶體 層201的厚度為約0.48nm。當水202被捕集或者解吸時，可控制五氧化二 釩納米線晶體層201之間的距離t。此處，距離t必須足夠短以容許兩個五 氧化二釩納米線晶體層201的吸引力彼此作用。如果距離t長于約幾個納米， 則其吸引力幾乎不能彼此作用。因此，五氧化二釩納米線晶體201之間的 距離t必須短于100nm。優(yōu)選地，所述距離t可為約0.1 ~ 100nm。圖4清楚 地顯示五氧化二釩納米線晶體201結(jié)晶為棒狀。多個棒狀晶體形成塊狀體 形狀，所述塊狀體形狀對于儲存材料來說為合適的形狀。儲氣介質(zhì)101的納米線晶體包括所有具有幾納米寬度和高度(或厚度) 和幾十個微米長度L的納米線晶體。通常，通過將一個薄膜堆疊在其它薄膜上而形成基于薄膜的層狀結(jié)構(gòu)。 因此，難以在薄膜之間存儲或引入新的材料。與基于薄膜的層狀結(jié)構(gòu)相比， 基于納米線晶體的層狀結(jié)構(gòu)需要少得多的能量以將材料吸收在納米線之 間，因為納米線晶體通常比薄膜薄得多。根據(jù)本實施方式的儲氣介質(zhì)101不限于具有納米高度和寬度的納米線 晶體。儲氣介質(zhì)101可包括所有由具有納米高度和寬度的納米線晶體制成 的薄膜層狀結(jié)構(gòu)。在基于薄膜的層狀結(jié)構(gòu)中均勻地設(shè)置多層薄膜。所述層 狀結(jié)構(gòu)可包括任何具有幾毫米或者厘米寬度的薄膜。如果納米線晶體的寬 度為幾納米或者幾十納米并且單晶具有幾微米，則具有氫的材料可存儲。而且，可形成一個具有幾納米到幾十厘米的寬度和從幾十納米到幾百 厘米的長度的層。此處，單晶或者薄膜的厚度(其為兩個相鄰層之間的距離)必須為約幾納米。層間距離必須為幾個納米，因為諸如氬的材料必須以化 學(xué)方式和物理方式穩(wěn)定地結(jié)合。如果儲氣介質(zhì)具有管子或者中空管的形狀， 則可形成具有幾百納米直徑的管子或者管形狀的儲氣介質(zhì)。而且，根據(jù)本發(fā)明的儲氣介質(zhì)101的結(jié)構(gòu)不限于平坦板形狀。根據(jù)本 發(fā)明的儲氣介質(zhì)101可形成為各種形狀，包括彎曲的平坦板形狀、中空的 圓柱形狀、實心圓柱體形狀、和球形。優(yōu)選的是，根據(jù)本發(fā)明的儲氣介質(zhì) 101的各結(jié)構(gòu)包括具有納米橫截面積的結(jié)晶部分的晶體結(jié)構(gòu)。如上所述，儲氣介質(zhì)101包括多層納米線晶體以及以物理和化學(xué)方式 結(jié)合在兩個相鄰層之間的能吸收/能解吸的材料。所述多層納米線晶體包括其中多個半導(dǎo)電或者導(dǎo)電化合物層堆疊在其上的層狀結(jié)構(gòu)。所述堆疊的層 可由相同材料或者超過兩種的不同材料制成。例如，當過渡金屬化合物和與氬反應(yīng)的材料如Pt或Pd化合時，過渡金屬/Pt或Pd鍵可具有作為電學(xué)特性的導(dǎo)電性或者半導(dǎo)電性。如果將具有所述電學(xué)特性的這種材料設(shè)置成層 狀結(jié)構(gòu)，則其可起到儲氣介質(zhì)的作用。如果納米線晶體形成為平坦的薄膜，則優(yōu)選層間距離為約lnm到約 ]OOnm。如果納米線晶體形成為圓形，則優(yōu)選其直徑為約lnm到lnm。所 提出的距離和直徑為用于基于化學(xué)或者物理吸引力維持待存儲的材料的有 效吸收或者解吸的距離。而且，層間的納米線晶體可具有幾納米到幾微米 的寬度，并且其尺寸不限。即，層間的納米線晶體可為幾厘米。納米線晶 體的高度不限于其尺寸。納米線晶體可由多個單晶形成。這種結(jié)構(gòu)也不限 于其尺寸。在這樣的納米線晶體中，當材料被吸收在層之間時，通過改變 層間距離來提高吸附能力。因此，可克服所吸收的材料在外面解吸的缺點。 例如，當五氧化二釩納米線晶體吸收來自外部的氣體時，五氧化二釩納米 線晶體可改變晶體層之間的距離。下文中，將描述根據(jù)本發(fā)明的儲氣介質(zhì)101的制造方法。 儲氣介質(zhì)101可使用選自金屬氧化物、半導(dǎo)體氧化物、過渡金屬化合 物、和過渡金屬氧化物中的一種形成。在其中額外添加離子交換樹脂或者 溶劑以形成儲氣介質(zhì)101。在此，離子交換樹脂有助于金屬氧化物或者半導(dǎo) 體氧化物的生長。而且，溶劑安全地到達納米線晶體之間，從而形成包括 金屬氧化物晶體、半導(dǎo)體氧化物晶體、和溶劑-金屬(或半導(dǎo)體)氧化物晶體 的納米線晶體。疊在另一層上而在層間 形成間隔，從而形成儲氣介質(zhì)101。而且，可通過在納米線晶體層之間形成 犧牲層和在形成納米線晶體層之后除去所述犧牲層而形成間隔。例如，在 納米線晶體層之間形成氧化硅層或者氮化硅層作為犧牲層，并且從那里除 去氧化硅層或者氮化硅層。而且，利用納米顆粒、分子或者聚合物，儲氣介質(zhì)101可形成為塊狀 體型以改善相鄰納米線晶體層之間的內(nèi)聚能力。同時，將多層納米線晶體形成為納米薄膜、片(pdlet)、或者膜?？赏ㄟ^ 噴涂法、旋涂法、和使用滴液吸移管的吸收法形成納米線晶體的納米薄膜。當納米線晶體和納米化合物包括在溶劑中時，將所述溶劑完全蒸發(fā)或 者除去。然后，將納米線晶體和納米化合物置于預(yù)定模具中，并且通過對 在預(yù)定模具中的納米線晶體和納米化合物加壓而形成其片型結(jié)構(gòu)。當納米 線晶體和納米化合物包括在溶劑中時，通過將溶劑過濾穿過預(yù)定的過濾器 而將溶劑除去，可形成膜型結(jié)構(gòu)。此外，采用旋涂法、使用滴液吸移管的 吸收法和噴涂法可形成納米薄膜型結(jié)構(gòu)。旋涂法是將納米線晶體吸收到多孔材料或者網(wǎng)狀材料中的方法。具有 復(fù)合疊層結(jié)構(gòu)的薄膜可通過適當控制旋涂數(shù)而形成。即，在旋涂法中，納 米線晶體吸收到多孔材料中，在其上堆疊另一多孔材料，再將納米線晶體 吸收到該多孔材料中。噴涂法是通過向多孔材料或網(wǎng)狀材料噴涂納米線晶體而在多孔材料或 網(wǎng)狀材料處形成薄膜的方法。即，通過向多孔材料噴涂納米線晶體而使納 米線晶體吸收到多孔材料中。然后，在其上堆疊另一多孔材料，并且通過 噴涂納米線晶體形成另 一薄膜。為了穩(wěn)定地形成多個納米線晶體層，儲氣介質(zhì)101可在納米線晶體層 之間包括能吸收/能解吸的材料如水分子，以使相鄰層能夠彼此支撐。此處， 能吸收/能解吸的材料通過化學(xué)結(jié)合或者物理結(jié)合與納米線晶體層結(jié)合。如 上所述，通過熱過程，儲氣介質(zhì)101中的多個納米線晶體層可解吸出無定 形或者能吸收/能解吸的材料。在從納米線晶體層解吸出所述材料后，納米 線晶體層之間形成空的空間。具有氬的預(yù)定材料可存儲在納米線晶體層之間的空的空間中。為了將具有氫的材料有效地吸收在納米線晶體層之間，可對納米線晶 體層的表面進行處理。具有硅烷、胺、或者羧基的分子可用于處理其表面。例如，氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)和氨丙基三曱氧基硅烷(APTMS)可用作 所述具有硅烷的分子。這樣的分子使兩個相鄰納米線晶體之間的吸引力提 高，從而穩(wěn)定地維持所述具有氫的材料。為了提高吸收能力，當形成納米線晶體時將具有大表面積的材料混合 到溶劑中，來代替對納米線晶體層的表面進行處理。此處，具有大表面積 的材料為具有約幾nm2到幾千|im2，例如約lnn^到lOOOO(im2的表面積的材 料。即，具有大表面積的材料包括例如聚吡咯、聚乙炔和聚乙烯的聚合 物，碳納米管，導(dǎo)電和非導(dǎo)電納米線，并五笨，和例如萘的有機材料。當形成納米線晶體時，將這樣的材料與溶劑混合。所述材料使納米線 晶體的內(nèi)聚力和表面積增加，從而增大了材料的存儲能力。例如，由于可 使用電化學(xué)方法制造納米尺寸的聚吡咯材料，因此通過在構(gòu)成聚吡咯時將 納米線引入到聚吡咯中而使納米線-聚吡咯組合物結(jié)晶。結(jié)果，提高了納米 線晶體之間的內(nèi)聚力。在待存儲的材料被吸收在納米線晶體間之后，難以 將所述材料從納米線晶體解吸。如圖1中所示，根據(jù)本實施方式的儲氣裝置可進一步包括加熱部件105。 加熱部件105設(shè)置在儲氣介質(zhì)101的下部。加熱部件105施加熱量以將能 解吸的材料從具有可變化合價的材料IOIA(即納米線晶體層)解吸。例如， 加熱部件105施加熱量以將具有氫的材料從納米線晶體層解吸。納米線晶體層和所述能解吸的材料之間的結(jié)合通過從加熱部件105施 加的熱量而破壞。即，通過加熱所述納米線晶體層使所述納米線晶體層振 動。納米線晶體層的振動破壞納米線晶體層的吸引力，從而破壞納米線晶 體層和能吸收/能解吸的材料的結(jié)合。當能吸收/能解吸的材料從納米線晶體 層解吸時產(chǎn)生預(yù)定的表面積。該表面積的大小約等于全部納米線晶體的表 面積大小。具有氬的材料可存儲在形成于納米線晶體層之間的間隔中。根據(jù)本實施方式的儲氣裝置進一步包括冷卻部件106。冷卻部件106冷 卻儲氣介質(zhì)101以在納米線晶體層之間吸收具有氫的材料。儲氣介質(zhì)101 使納米線晶體層之間的距離變窄。即，冷卻部件106使具有氫的材料的分 子之間的距離最小化以使得所述具有氫的材料能夠被有效地吸收。根據(jù)本實施方式的儲氣裝置可進一步包括用于將具有氫的材料引入到 儲氣介質(zhì)101中或者將具有氫的目標材料從儲氣介質(zhì)101排出并且保護儲氣介質(zhì)101的腔室104。腔室104包括用于將能吸收/能解吸的材料或者具 有氫的目標材料引入到儲氣介質(zhì)101中的入口 104a和用于將所解吸的材料 從儲氣介質(zhì)101排出的出口 104b。此處，腔室104可包括一個開口作為入 口 104a和出口 104b。根據(jù)本實施方式的儲氣裝置可進一步包括用于支撐儲氣介質(zhì)101的多 層納米線晶體結(jié)構(gòu)的支撐部件103。此處，支撐部件103可形成為三維(3-D) 多邊形如三角形、矩形、正方形、五邊形和八邊形?；蛘?，支撐部件103 可形成為圓柱形腔室。支撐部件103設(shè)置在腔室104內(nèi)。支撐部件103的 上部打開以暴露納米線晶體層，從而與腔室104的入口 104a和出口 104b 連通。下文中，將描述根據(jù)本實施方式的儲氣裝置的操作。首先，通過加熱部件105使儲氣介質(zhì)101的內(nèi)部溫度升高，從而使儲 氣介質(zhì)101的各層之間的距離最大化。然后，通過腔室104的入口 104a將 氣體引入到腔室中，腔室104的內(nèi)部壓力升高為高于1個大氣壓。在使內(nèi) 部壓力升高后，中斷加熱部件105，同時通過冷卻部件106使儲氣介質(zhì)101 冷卻下來。此處，在維持儲氣介質(zhì)101的內(nèi)部壓力、同時降低溫度的情況 下，使待存儲材料的分子之間的距離最小化。結(jié)果，具有氫的材料被存儲 在儲氣介質(zhì)101中。然后，通過加熱部件105加熱儲氣介質(zhì)101以將存儲 或者吸收在儲氣介質(zhì)101中的材料排出。如圖2中所示，儲氣介質(zhì)101包括各自具有可變化合價的多個納米線 晶體層101A以及形成在兩個相鄰的材料層IOIA之間用于吸收預(yù)定材料的 空的空間IOIB?？盏目臻g101B可作為與納米線晶體層物理和化學(xué)結(jié)合的 能吸收/能解吸的材料形成?；蛘?，空的空間101B可在制造儲氣介質(zhì)101 時形成為空的結(jié)構(gòu)。能吸收/能解吸的材料從納米線晶體層解吸。結(jié)果，在納米線晶體層之 間形成空的空間。然后，將目標材料存儲在納米線晶體層之間的空的空間 中。即，對儲氣介質(zhì)101進行加熱并且通過實施加熱和抽空而在腔室中形 成真空狀態(tài)。結(jié)果，納米線晶體層之間的距離由于熱能的增加而伸長，并 且納米線晶體層之間的吸收材料被分離。然后，在將吸收在納米線晶體層之間的材料排出之后形成的空的空間 中存儲具有氫的材料。例如，氣體如氫氣分子、氧氣分子、氮氣分子和氦 氣分子，或者比納米線晶體層之間的距離小或者略大的材料。此處，在進 行高溫熱過程時納米線晶體層發(fā)生振動。這種振動使得納米線晶體層之間 的距離更長。因此，可將比納米線晶體層之間的距離略大的材料存儲在儲 氣介質(zhì)101中。而且，在存儲具有氫的材料之后，納米線晶體層之間的距 離可變化。下文中，將描述在將吸收在納米線晶體層之間的材料除去后存儲目標 材料的方法和將存儲在納米線晶體層之間的材料排出的方法。參照圖1和5，在儲氣介質(zhì)101形成之后，儲氣介質(zhì)101設(shè)置在腔室 104內(nèi)以與加熱部件105和冷卻部件106相4妄觸。首先，在步驟S51中，通過利用排出閥(未示出)打開出口 l(Mb而在儲 氣裝置的腔室104內(nèi)形成真空狀態(tài)，然后，通過加熱部件105對儲氣介質(zhì) 101進行加熱而將吸收在納米線晶體層之間的材料除去。然后，在步驟S52中，關(guān)閉出口 104b，并且通過利用進給閥(未示出) 打開入口 104a而將待存儲的目標材料引入到腔室104中。此處，氣氛壓力 高于環(huán)境壓力。根據(jù)待存儲材料的量控制壓力。然后，在步驟S53中，通過在加壓的同時打開入口 104A而降j氐內(nèi)部溫 度以使所述材料穩(wěn)定地存儲在納米線晶體層之間。此時，中斷加熱部件105， 并且利用冷卻部件106使內(nèi)部溫度逐漸降低。而且，吸收材料的量在溫度 降低時增加，對腔室連續(xù)加壓以補償連續(xù)降低的壓力。如上所述，通過將納米線晶體層之間的吸收材料除去和將目標材料存 儲在納米線晶體層之間的空的空間中而將材料存儲在儲氣介質(zhì)101中，所 述空的空間是由所除去的材料形成的。例如，可在常溫例如約21°C ~約23。C下將氫存儲在儲氣介質(zhì)101中。 然而，在將氫吸收在儲氣介質(zhì)101中之后，在預(yù)定壓力下，如果儲氣介質(zhì) 101的溫度降低，則氫可更有效地存儲。優(yōu)選使儲氣介質(zhì)101的溫度降低至 4.2K。C、或者更優(yōu)選地77K(其為液氮的溫度)。因此，用于存儲目標材料的 方法可進一步包括在步驟S52之前將儲氣介質(zhì)101的內(nèi)部溫度冷卻至常溫或者極低溫度c包括液氮的溫度)以增加引入的氫的量的步驟。在步驟S51中，可進行加熱儲氣介質(zhì)的過程和在腔室中形成真空狀態(tài)的過程之一，以將所吸收的材料從納米線晶體層解吸。然而，如果加熱葉諸 氣介質(zhì)的過程和在腔室中形成真空狀態(tài)的過程兩者 一起進行，則所吸收的 材料更有效地從納米線晶體層解吸。此處，加熱儲氣介質(zhì)的過程是利用設(shè)置在儲氣介質(zhì)101的下部的加熱 部件105進行的?？稍诓皇辜{米線晶體層熔化的溫度范圍內(nèi)對儲氣介質(zhì)進行加熱。如果在利用加熱部件105加熱儲氣介質(zhì)101時在儲氣介質(zhì)101的腔室中形成真空狀態(tài)，則納米線晶體層之間的距離可進一步變寬，從而更 有效地保證存儲空間。此處，真空度越高，獲得的存儲空間越寬。優(yōu)選壓力在latm到700atm或者到支撐部件103可經(jīng)受的極限壓力范圍內(nèi)。圖6為根據(jù)本發(fā)明實施方式從納米線晶體層排出氣體的方法的流程圖。 參照圖6，在步驟S61和S62中，通過利用加熱部件105加熱具有預(yù)定 存儲物的儲氣介質(zhì)101而使腔室的內(nèi)部溫度升高，并且通過利用排出閥打 開出口 104B而將從納米線晶體層解吸的材料排出。此處，如果目標材料的 濃度高于對目標材料進行吸收的濃度，則可排出所解吸的材料而無需升高 其溫度。下文中，將通過示例性實驗描述根據(jù)本實施方式的儲氣裝置。 示例性實驗□五氧化二釩納米線晶體結(jié)構(gòu)的觀察圖7為根據(jù)本發(fā)明實施方式的儲氣介質(zhì)中的釩納米線晶體結(jié)構(gòu)的照片。 該照片是通過原子力顯微鏡(AFM)拍攝的。參照圖7，釩納米線晶體形成為 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。單個納米線晶體的長度長于1微米。此處，納米線晶體具有長 方體形狀，其中納米線晶體的寬度為幾十納米，納米線晶體的高度為幾納 米到幾十納米，并且納米線晶體的長度為幾微米到幾十微米?！鯗y量釩納米線晶體的存儲容量進行熱重分析(TGA)以分析在示例性實驗中形成的具有儲氣介質(zhì)的儲 氣裝置的氳容量。圖8為顯示對氫容量進行分析的結(jié)果的圖。通過根據(jù)實 驗中的溫度重量比測量重量變化(重量比)而提供關(guān)于樣品組成分析和熱穩(wěn) 定性的信息。在實-瞼中，通過將儲氬之前具有所填充的能吸收/能解吸的材 料的儲氣介質(zhì)的重量與除去了能吸收/能解吸的材料的儲氣介質(zhì)的重量相比 而測得儲氣介質(zhì)的最大儲氬容量。即，將包括在釩納米線晶體中的溶劑完全除去，并且將釩納米線晶體儲氣介質(zhì)最低為約75 重量％?；谠摻Y(jié)果，儲氣介質(zhì)可最大限度地存儲約25重量％的氫。提出了各種用于測量存儲在儲氣介質(zhì)中的氛的方法。本文中，石英晶 體Microvalvce(QCM)質(zhì)諳儀在該實驗中用于測量儲氫容量。圖9顯示QCM 質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)。參照圖9， QCM包括兩個電極301和303和石英晶體振蕩器302。通 過向電極301和303施加交流電(AC)而使石英晶體振蕩器302振動，并且 引起共振的振蕩頻率是確定的。此處，石英晶體振蕩器302的共振頻率為 約9MHz。如果材料置于石英晶體振蕩器302上，則材料獨特的共振頻率改 變。振動頻率的變化與重量的變化緊密相關(guān)。即，Dm=-1.068Df(ng)。此處 "1.068"為與石英的特性相關(guān)的常數(shù)，并且ng表示單位納克。如上所述，儲氣介質(zhì)103置于QCM質(zhì)譜儀上并且通過使用振蕩器制造 振動來測量儲氣介質(zhì)103的響應(yīng)特性。這種QCM質(zhì)譜儀可被加熱或者冷卻。 將QCM質(zhì)譜儀設(shè)置在腔室中并且在腔室外面測量響應(yīng)特性。此處，頻率的 下降意味著重量的增加。而且，頻率的增加意味著重量的下降。儲氦容量分析圖10為顯示儲氦容量的圖。圖中，x軸表示時間且y軸表示頻率。 參照圖10，在區(qū)域I中，在維持10-5托的真空狀態(tài)的同時，溫度升高 至395K。然后，當溫度升高并且形成真空狀態(tài)時，由于頻率逐漸升高，因 此重量下降。其意味著，由于包含在釩納米線晶體中的水被除去，儲氣介 質(zhì)的重量減少。在區(qū)域II中，保持所述溫度，壓力升至11.2atm。然后，將 氦吸收到除去水之后形成的空間中。即，頻率逐漸降低。在區(qū)域m中，壓 力維持為11.2atm并且溫度降低至295K。由于溫度降低，因而頻率進一步 降低。因此，氦的量進一步增加。最后，釩納米線晶體和其中所存儲的氦 的重量比為約3.5768重量％,其可基于頻率和重量之間的關(guān)系計算。這樣 的結(jié)果是在使用QCM質(zhì)譜儀計算重量之后通過基于壓力和溫度修正重量 比而得到的。圖11為顯示儲氫容量的圖。在圖中，x軸表示時間且y軸表示頻率。參照圖11,在區(qū)域I中，在壓力保持在10atm的同時，溫度升高至295K。 在區(qū)域II中，保持所述溫度，壓力升高至20atm。即，僅改變頻率。就是說， 與儲氦容量分析類似，使用QCM質(zhì)譜儀在相同的壓力和溫度下測量初始頻 率變化。然后，在預(yù)定材料置于QCM質(zhì)譜儀上之后測量頻率變化。然后， 基于初始頻率和在將預(yù)定材料置于QCM質(zhì)譜儀上時變化了的頻率之間的 差值測量重量。作為該實驗的結(jié)果，根據(jù)本實施方式的儲氣介質(zhì)的儲氫容 量計算為約1.611重量％。然而，如圖11中所示，可在其中頻率逐漸下降、壓力比較低(例如約 20atm)并且溫度為常溫的不利條件下存儲氫。即，其意味著，如果壓力升高 和溫度降低至液氮的溫度，則儲氣介質(zhì)中可存儲更多的氫。在本實施方式中，儲氣介質(zhì)描述成包括五氧化二釩納米線晶體。然而， 本發(fā)明不限于此。如上所述，儲氣介質(zhì)可包括由過渡金屬或者另外的金 屬與元素的組合制成的存儲介質(zhì)，由其晶體制成的塊體型存儲介質(zhì)、和由 Pt或Pd制成的化合物。即，如果其晶體具有保證層間間隔的多層結(jié)構(gòu)，則品時容易地排出的材料的結(jié)構(gòu)體可用作根據(jù)本實施方式的儲氣介質(zhì)。而且， 包括可在復(fù)合之后容易地除去的材料的結(jié)構(gòu)體可用作根據(jù)本實施方式的儲氣介質(zhì)。本申請含有與分別在2006年12月6日和2007年9月18日在韓國知識 產(chǎn)權(quán)局提交的韓國專利申請2006-0123238和2007-0094685相關(guān)的主題，將 所述申請的全部內(nèi)容引入本文作為參考。雖然已描述了本發(fā)明的某些優(yōu)選實施方式，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)明 白，在不偏離由所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍的情況下，可進行各 種變化和修改。
權(quán)利要求
1.儲氣介質(zhì)，包括各自具有可變化合價的多個材料層，其中所述材料層各層均包含未參與化學(xué)結(jié)合的多余電子。
2. 權(quán)利要求l的儲氣介質(zhì)，進一步包括設(shè)置在所述材料層之間并且以分子形式與所述材料層化學(xué)和物理結(jié)合 的能吸收/能解吸的材料。
3. 權(quán)利要求l的儲氣介質(zhì)，其中各所述材料層由相同或者不同的材料制成。
4. 權(quán)利要求1的儲氣介質(zhì)，其中各所述材料層隔開約0.1至100nm。
5. 權(quán)利要求l的儲氣介質(zhì)，其中各所述材料層由納米線晶體制成。
6. 權(quán)利要求5的儲氣介質(zhì)，其中待存儲的目標材料在相鄰材料層之間 的間隔中與所述納米線晶體化學(xué)結(jié)合。
7. 權(quán)利要求6的儲氣介質(zhì)，其中所述化學(xué)結(jié)合為離子鍵合、金屬鍵合、 以及范德華鍵合中的一種。
8. 權(quán)利要求5的儲氣介質(zhì)，其中所述納米線晶體由選自半導(dǎo)體納米材 料、結(jié)合有過渡金屬的化合物、和過渡金屬氧化物中的一種制成。
9. 權(quán)利要求8的儲氣介質(zhì)，其中所述過渡金屬為選自Sc、 Ti、 V、 Cr、 Mn、 Fe、 Co、 Ni、 Cu、 Zn、 Y、 Zr、 Nb、 Mo、 Tc、 Ru、 Rh、 Pd、 Ag、 Cd、 La、 Hf、 Ta、 W、 Re、 Os、 Ir、 Pt、 Au、和Hg中的一種。
10. 權(quán)利要求8的儲氣介質(zhì)，其中所述結(jié)合有過渡金屬的化合物為選 自LaNi5、 MmNi3、 Mg2Ni、 TiMn2、 TiV2、 TiFe、 TiCo、 TiVCr、 TiVMn、 Mg2Cu 、 ZrMn2 、 ZrV2和LiAl中的 一種。
11. 權(quán)利要求8的儲氣介質(zhì)，其中所述過渡金屬氧化物為釩氧化物。
12. 權(quán)利要求ll的儲氣介質(zhì)，其中所述釩氧化物為選自V02、 V20s和 V205中的一種。
13. 權(quán)利要求8的儲氣介質(zhì)，其中在樣品合成時或者在樣品合成后采 用離子注入摻雜所述納米線晶體。
14. 權(quán)利要求8的儲氣介質(zhì)，其中使用所述過渡金屬之一作為所述離子。
15. 權(quán)利要求8的儲氣介質(zhì)，其中所述納米線晶體是通過添加離子交 換樹脂和溶劑形成的。
16. 權(quán)利要求15的儲氣介質(zhì)，其中所述溶劑包括具有l(wèi)nn^到lOOOOpm2表面積的材料。
17. 權(quán)利要求15的儲氣介質(zhì)，其中所述溶劑包括選自碳納米管、導(dǎo)電 納米線、非導(dǎo)電納米線和有機材料中的一種。
18. 權(quán)利要求15的儲氣介質(zhì)，其中將所述溶劑與由聚吡咯、聚乙炔、 和聚乙烯組成的組中的 一 種或者至少兩種聚合物混合。
19. 權(quán)利要求5的儲氣介質(zhì)，其中所述納米線晶體形成為納米薄膜、 片型塊體、或者膜。
20. 儲氣裝置，包括 腔室；設(shè)置在所述腔室中的儲氣介質(zhì)； 用于加熱所述儲氣介質(zhì)的加熱部件；和 用于冷卻所述儲氣介質(zhì)的冷卻部件，其中所述儲氣介質(zhì)包含各自具有可變化合價的多個材料層并且所述材 料層各層均包含未參與化學(xué)結(jié)合的多余電子。
21. 權(quán)利要求20的儲氣裝置，其中所述腔室包括用于將待存儲的目 標材料引入到所述儲氣介質(zhì)中的入口 ；和用于將所述目標材料從所述儲氣 介質(zhì)排出的出口 ，其中所述儲氣介質(zhì)進一步包括用于支撐所述具有可變化 合價的材料層的支撐部件。
22. 使用包括腔室、設(shè)置在所述腔室中的儲氣介質(zhì)、用于加熱所述儲 氣介質(zhì)的加熱部件、和用于冷卻所述儲氣介質(zhì)的冷卻部件的儲氣裝置儲氣 的方法，包括如下步驟通過加熱部件加熱儲氣介質(zhì)； 將目標材料引入到所述儲氣介質(zhì)；和氣介質(zhì)中。
23. 權(quán)利要求22的方法，進一步包括在引入目標材料之前將所述儲氣 介質(zhì)冷卻至常溫的步驟。
24. 權(quán)利要求22的方法，其中在加熱儲氣介質(zhì)時，將所述儲氣介質(zhì)的內(nèi)部維持為真空狀態(tài)，和其中在通過加熱部件加熱儲氣介質(zhì)時，加熱所述 儲氣介質(zhì)以使吸收在所述儲氣介質(zhì)中的材料解吸。
25.權(quán)利要求22的方法，進一步包括如下步驟將從所述儲氣介質(zhì)解吸的材料排出到所述腔室之外。
全文摘要
提供儲氣介質(zhì)、具有其的儲氣裝置以及儲氣方法。所述儲氣介質(zhì)包括各自具有可變化合價的多個材料層，其中所述材料層各層均包含未參與化學(xué)結(jié)合的多余電子。
文檔編號C01B3/00GK101553426SQ200780045345
公開日2009年10月7日 申請日期2007年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月6日
發(fā)明者劉漢泳, 安昌根, 樸贊佑, 李誠宰, 梁鐘憲, 白寅福, 鄭泰亨, 金安順, 阿七成 申請人:韓國電子通信研究院