氢——一种清洁能源——有可能在氢经济中取代化石燃料，从而缓解气候变化。向脱碳能源社会过渡的主要障碍之一是缺乏工业规模氢 (H 2 ) 的存储空间。本文着眼于 Keshavarz 等人关于煤中氢扩散及其对储氢的影响的研究。该研究发表在 《胶体与界面科学杂志》上。

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为广泛的储氢找到新的解决方案非常重要。氢气地下储存（UHS）是在这种情况下提出的一种选择。在这里，H 2储存在地下地质构造中，例如盐穴或枯竭的油气藏。

在最近的研究中，该团队研究了澳大利亚次烟煤样品中氢吸附的行为。然而，在目前的文献中，没有关于氢吸附速率或扩散动力学的数据。因此，在这项工作中，研究人员量化了澳大利亚煤炭样本中的这些动力学参数。这项研究为 UHS 提供了基本的岩石物理数据，从而有助于大规模氢经济的实施。

方法

在澳大利亚无烟煤样品上，进行了 H 2和 CO 2动力学吸附测试。使用刀片研磨机，将煤样研磨至 <500 µm。动力学实验采用 250–500 µm 的尺寸分数。对煤进行了全面分析，最终和近似分析、氦密度和岩相分析结果列于表 1。

表 1.测试的澳大利亚无烟煤样品的基本分析特性。资料来源：Keshavarz等人，2022 年

实验装置的示意图如图 1 所示。

数字。1.实验装置： 1. 样品池；2、煤样；3、手动阀；4、自动阀门；5、压力传感器；6.大参考细胞；7. 小型参考电池；8、温度控制器；9、真空线；10、排气管；11、测试气路；12、标定气管；13.控制面板和数据采集系统。图片来源：Keshavarz 等人，2017 年

在表 2 中，将与 H 2和 CO 2扩散相关的参数制成表格。

表 2。H 2和CO 2扩散参数和吸附能力，在平衡压力（约13 bar）下，在不同温度下测试的煤。资料来源：Keshavarz等人，2022 年

结果和讨论

显然，如预期的那样，H 2和 CO 2的吸附在较高温度下更快地达到平衡（图 2）。这种更快的平衡是通过在更高温度下改进的气体分子动能而发生的。

数字。2.比较 H 2和 CO 2吸附速率参数：作为温度函数的 H 2和 CO 2吸附速率曲线（在所有 H 2和 CO 2动力学测试中，平衡压力在 12.78-13.03 bar 的范围内）。图片来源：Keshavarz 等人，2022 年

此外，在所有扩散测试中（即对于 H 2和 CO 2），β 几乎是恒定的（β = 0.36 ± 7.5%）（参见表 2 和图 3）。

此外，1/t0 以及由此导致的D — 扩散系数随着两种气体的温度升高而增加（参见图 4 和表 2）。

数字。3.不同温度下H 2和CO 2测试的β值。图片来源：Keshavarz 等人，2022 年

此外，众所周知，气体吸附（连同 CO 2和 H 2的吸附）随着温度的升高而降低（见图 4）。

数字。4.不同温度下的H 2和CO 2扩散系数。图片来源：Keshavarz 等人，2022 年

此外，升高温度增加了H 2 -CO 2扩散系数比，而H 2 -CO 2吸附比保持不变（见图5）。

数字。5 、不同温度下的扩散系数比（H 2 /CO 2）和吸附容量比（CO 2 /H 2）。图片来源：Keshavarz 等人，2022 年

值得注意的是，对于所有测试温度，CO 2的吸附能力都大大高于 H 2的吸附能力（大约是五倍），而两种气体的吸附能力随着温度的升高而略有下降（见图 6）。

数字。6. H 2和CO 2在平衡压力（12.78–13.03 bar）下的吸附能力与温度的关系。图片来源：Keshavarz 等人，2022 年

结论

尽管煤中的气体扩散是一种公认的现象，但严重缺乏煤中氢扩散的数据，这主要是由于地质储氢概念的新颖性。

因此，在这项研究中，根据已经报道的煤中气体扩散测量，研究人员量化了四种不同温度（20°C、30°C、45°C 和 60°C）和平衡压力下H 2的动力学吸附曲线在等温条件下，澳大利亚无烟煤样品的压力约为 13 bar。对相同样品在相似平衡压力和温度下的CO 2扩散系数进行量化以进行比较。

结果表明，温度越高，H 2和CO 2的吸附率越高，但气体吸附能力越低。他们还表明，H 2扩散系数比等效的 CO 2扩散系数大一个数量级。H 2 -CO 2扩散系数比从 20 °C 时的 10 提高到 60 °C 时的 22。

此外，在所有研究温度和平衡压力（~13 bar）下，CO 2吸附容量大约是等效 H 2吸附容量的五倍。此外，正在进行H 2动力学研究，以发现煤特性对煤中H 2扩散的影响。