CN101553426A - 储气介质、储气装置及储气方法 - Google Patents

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Abstract

提供储气介质、具有其的储气装置以及储气方法。所述储气介质包括各自具有可变化合价的多个材料层，其中所述材料层各层均包含未参与化学结合的多余电子。

Description

储气介质、储气装置及储气方法
技术领域
本发明涉及储气介质、具有其的储气装置以及储气方法；并且更具体而言涉及储氢介质、具有其的储氢装置、以及储氢方法。
背景技术
化石燃料例如石油的使用产生了严重的污染问题并且引起全球变暖问题。为了克服这样的问题，氢作为代用燃料一直受到关注。氢可由地球上无限存在的水产生。在产生能量之后，氢又转变回到水。
因此，水永远不会枯竭。当氢燃烧时，除了产生极少量一氧化二氮之外不产生污染物。因此，氢被认为是清洁能源。而且，氢可转化为各种类型的能量。例如，氢通过燃烧转化为热能。氢还通过内燃机转化为机械能，或者作为燃料电池通过与氧反应转化为电能。
然而，虽然氢具有上述的许多优点，但是氢尚未被广泛使用。未广泛使用氢的原因之一在于难以在高密度下安全存储氢。因此，为了使用氢作为能源，正在进行许多开发使储氢容量急剧增加的储氢介质和储氢方法的研究。
作为相关领域的储氢方法，已经提出了液态氢存储方法、气态氢存储方法、基于合金的储氢方法、和基于碳纳米管的储氢方法。液态氢存储方法和气态氢存储方法可为危险的，因为液态氢和气态氢在常温下是高度爆炸性的。而且，液态氢存储方法和气态氢存储方法具有存储成本昂贵的缺点。基于合金的储氢方法将氢存储在合金中。
虽然其可安全地储氢，但是由于重量重和储氢表面积小，因而其具有商业化的限制。基于碳纳米管的储氢方法将氢存储在碳纳米管中。由于碳纳米管与合金相比具有更大的表面积，因此使用基于碳纳米管的储氢方法可存储更多的氢。碳纳米管中的碳材料化学上非常稳定。因此，难以将氢吸收到碳纳米管中和在将氢吸收到碳纳米管之后使氢从碳纳米管解吸。因此，储氢容量可变得减少。
发明内容
技术问题
本发明的实施方式涉及提供通过充分保证用于储气的表面积而改进储气效率的储气介质、具有其的储气装置、以及储气方法。
本发明的其它目的和优点可通过以下描述而理解，并且参照本发明的实施方式而变得明晰。而且，对于本发明所属领域的技术人员来说很明显，本发明的目的和优点可通过所要求保护的手段以及其组合而实现。
技术方案
根据本发明的一个方面，提供储气介质，其包括：各自具有可变化合价的多个材料层，其中所述材料层各层均包含未参与化学结合的多余电子。
根据本发明的另一方面，提供储气装置，其包括：腔室；设置在所述腔室中的储气介质；用于加热所述储气介质的加热部件；和用于冷却所述储气介质的冷却部件，其中所述储气介质包括各自具有可变化合价的多个材料层并且所述材料层各层均包含未参与化学结合的多余电子。
根据本发明的又一方面，提供使用包括腔室、设置在所述腔室中的储气介质、用于加热所述储气介质的加热部件、和用于冷却所述储气介质的冷却部件的储气装置储气的方法，包括如下步骤：通过加热部件加热储气介质；将目标材料引入和存储到所述储气介质；和通过所述冷却部件冷却所述储气介质而使所述目标材料存储在所述储气介质中。
有益效果
根据本发明的储气介质、具有其的储气装置、以及储气方法提供以下有益效果。
所述储气介质包括各自具有可变化合价并且隔开预定距离的多个材料层。其层状结构通过形成在相邻层之间的间隔而能够保证大的表面积。因此，改善了储气效率。
在根据本发明的具有多层结构的储气介质中，在层间预先填充能吸收/能解吸的材料，并且在储气之前使所述能吸收/能解吸的材料从那里解吸。因此，通过将化学稳定的气体容易地存储到空的(vacant)空间中改善了储气效率。
附图说明
图1为说明根据本发明实施方式的储气装置的图。
图2为图1中所示的储气介质的放大图。
图3和4为图示五氧化二钒纳米线晶体结构的图。
图5为说明根据本发明实施方式的储气方法的流程图。
图6为说明根据本发明实施方式的排出气体的方法的流程图。
图7为根据本发明实施方式形成的示例性的五氧化二钒纳米线晶体结构的AFM照片。
图8为显示根据本发明实施方式形成的五氧化二钒纳米线晶体的基于TGA(热重分析)的储氢容量的图。
图9为说明用于测量储氢容量的质谱仪的图。
图10为显示根据本发明实施方式形成的五氧化二钒纳米线晶体的储氦特性的图。
图11为显示根据本发明实施方式形成的五氧化二钒纳米线晶体的储氢特性的图。
具体实施方式
本发明的优点、特征和方面将从以下参照附图对实施方式进行的描述而变得明晰，所述描述将在下文中列出。因此，本发明所属技术领域的技术人员可以容易地使本发明的技术构思和范围具体化。另外，如果认为对相关技术的具体描述可使本发明的要点不分明，则本文中将不提供该具体描述。下文中将参照附图具体描述本发明的优选实施方式。
图1为说明根据本发明实施方式的储气装置的图，图2为图1中所示的储气介质101的放大图。
参照图1和2，根据本实施方式的储气装置包括形成为层状结构的储气介质101。即，储气介质101包括各自由具有可变化合价的材料制成并且隔开预定距离的多个材料层101A。材料层101A必须具有未参与化学结合的多余电子。而且，可在材料层101A之间的间隔102处设置额外的支撑部件(未示出)。
在本实施方式中，储气介质101为具有多层结构的材料。例如，储气介质101包括多个薄膜材料层101A和各自形成在两个相邻的薄膜材料层101A之间的间隔101B。
公知的材料石墨也具有包括与图2的间隔101B类似的间隔的层状结构。然而，虽然石墨可以在其间隔处存储诸如氢的材料，但是由于石墨与碳稳定结合，因此石墨无法用作储气介质。即，困难的是：在石墨吸收材料例如氢气之前/之后，使诸如氢的材料吸附到石墨中/从石墨解吸。
在本发明中，利用由多余电子产生的物理和化学吸引力将待存储的目标材料存储在具有多层结构的储气介质中。
例如，五氧化二钒为具有层状结构的过渡金属。当钒与另一材料化学结合时，根据钒与氧如何结合，钒具有五价或者四价。当钒/氧键由于钒化合价的变化而具有缺陷部分时，其多余电子在四周游移。这样的多余电子具有容易吸收从外部进入的分子或者原子的特性。即，所述多余电子容易吸收待存储的材料。
如果相邻的两个钒层隔开比较长的距离例如几个微米，则其化学键没有强到足以影响下一钒层。因此，具有多余电子的不稳定化学键与其它化学键冲突，从而消除其不稳定性。而且，当层隔开比较长的距离时，被吸收材料的解吸能力强于被解吸材料的吸收能力。因此，吸收能力变得降低。即，当材料被吸收在层之间时，吸收能力通过层的吸引力而提高。然而，如果层隔开较宽，则吸收能力下降，因为两层的吸引力减少为一层的吸引力。
在钒和氧的化学键的情况下，V2O3的化学平衡为+3，VO2的化学平衡为+4。而且，V2O5的化学平衡为预定比例的+4和+5的钒。根据化合价的变化，这种钒/氧键具有多余的电子，并且所述多余电子起到对材料进行吸收的吸引作用。
因此，当具有可变化合价和多余电子的材料具有层状结构时，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，因为所吸收的材料不形成强的化学键。即，这样的物理和化学键是共价键、范德华键、离子键、氢键、或金属键之一。此外，这样的物理和化学结合可通过材料的排空和加热而容易地破坏。
同时，为了对包括氢的材料进行吸收，保证间隔是非常重要的。当材料形成为包括隔开预定距离的多个层的层状结构时，可以保证这样的间隔。在该间隔中，根据材料的化合价，其形成物理和化学键。此处，物理和化学键包括共价键、范德华键、离子键、氢键、或者金属键。
如上所述，储气介质101包括多个材料层101A。各材料层101A可由相同材料或者不同材料例如超过两种材料制成。作为材料层101A，可使用纳米线晶体。所述纳米线晶体可形成为纳米薄膜、块体(bulk)、或者膜。而且，纳米线晶体小于500nm2。优选地，所述纳米线晶体小于100nm2。所述纳米线晶体包括至少一个纵横比(长度∶宽度)大于10的横截面。优选地，所述纵横比可大于50。更优选地，所述纵横比可大于100。而且，所述纳米线晶体可由选自半导体纳米材料、过渡金属化合物、和过渡金属氧化物的材料制成。作为过渡金属，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。如果待存储的材料为氢，则该材料可由Pt/Pd化合物制成。
例如，半导体纳米材料可由选自如下的材料制成：Si、Ge、Sn、Se、Te、B、C(包括金刚石)、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、CuI、AgF、AgCl、AgBr、AgI、BeSiN2、CaCN2、ZnGeP2、CdSnAs2、ZnSnSb2、CuGeP3、CuSi2P3、(Cu，Ag)(Al，Ga，In，Ti，Fe)(S，Se，Te)2、Si3N4、Ge3N4、Al2O3、(Al，Ga，In)2(S，Se，Te)3、Al2CO以及其组合。
过渡金属化合物可由选自作为稳定的过渡金属化合物的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。
过渡金属氧化物可为钒氧化物，如VO2、V2O3和V2O5。即，所述过渡金属氧化物可为具有可转化为多余化合价的化合价的钒氧化物。
Pt或Pd化合物可由选自过渡金属化合物如Pt或Pd和氧化物的材料制成。例如，虽然在氢传感器中诸如Pt或Pd的材料吸收氢，但是该Pt或Pd无法用作吸附剂。然而，如果这种化合物形成层状结构，则可吸收另外的材料。而且，如果材料像过渡金属一样具有一对多余电子，则当诸如氢的材料被吸收在该材料诸如Pt或Pd中时，所述多余电子使得吸收能力提高，从而使该材料解吸的比率降低。
同时，可通过杂质离子掺杂在过渡金属化合物和过渡金属氧化物中形成键结构和相关化合价。这样的离子掺杂可在样品合成时进行。或者可在样品合成后使用过渡金属离子进行离子注入过程。在五氧化二钒纳米线的情况下，将其中Pt或Pd以分子形式存在的材料注入到层之间以改善吸附能力。
如图3和4中所示，五氧化二钒纳米线结构包括五氧化二钒纳米线晶体层201和在层201之间的在合成相关样品时所包含的水202。五氧化二钒纳米线晶体层201之间的距离t为约0.67nm，并且五氧化二钒纳米线晶体层201的厚度为约0.48nm。当水202被捕集或者解吸时，可控制五氧化二钒纳米线晶体层201之间的距离t。此处，距离t必须足够短以容许两个五氧化二钒纳米线晶体层201的吸引力彼此作用。如果距离t长于约几个纳米，则其吸引力几乎不能彼此作用。因此，五氧化二钒纳米线晶体201之间的距离t必须短于100nm。优选地，所述距离t可为约0.1～100nm。图4清楚地显示五氧化二钒纳米线晶体201结晶为棒状。多个棒状晶体形成块状体形状，所述块状体形状对于储存材料来说为合适的形状。
储气介质101的纳米线晶体包括所有具有几纳米宽度和高度(或厚度)和几十个微米长度L的纳米线晶体。
通常，通过将一个薄膜堆叠在其它薄膜上而形成基于薄膜的层状结构。因此，难以在薄膜之间存储或引入新的材料。与基于薄膜的层状结构相比，基于纳米线晶体的层状结构需要少得多的能量以将材料吸收在纳米线之间，因为纳米线晶体通常比薄膜薄得多。
根据本实施方式的储气介质101不限于具有纳米高度和宽度的纳米线晶体。储气介质101可包括所有由具有纳米高度和宽度的纳米线晶体制成的薄膜层状结构。在基于薄膜的层状结构中均匀地设置多层薄膜。所述层状结构可包括任何具有几毫米或者厘米宽度的薄膜。如果纳米线晶体的宽度为几纳米或者几十纳米并且单晶具有几微米，则具有氢的材料可存储。
而且，可形成一个具有几纳米到几十厘米的宽度和从几十纳米到几百厘米的长度的层。此处，单晶或者薄膜的厚度(其为两个相邻层之间的距离)必须为约几纳米。层间距离必须为几个纳米，因为诸如氢的材料必须以化学方式和物理方式稳定地结合。如果储气介质具有管子或者中空管的形状，则可形成具有几百纳米直径的管子或者管形状的储气介质。
而且，根据本发明的储气介质101的结构不限于平坦板形状。根据本发明的储气介质101可形成为各种形状，包括弯曲的平坦板形状、中空的圆柱形状、实心圆柱体形状、和球形。优选的是，根据本发明的储气介质101的各结构包括具有纳米横截面积的结晶部分的晶体结构。
如上所述，储气介质101包括多层纳米线晶体以及以物理和化学方式结合在两个相邻层之间的能吸收/能解吸的材料。所述多层纳米线晶体包括其中多个半导电或者导电化合物层堆叠在其上的层状结构。所述堆叠的层可由相同材料或者超过两种的不同材料制成。例如，当过渡金属化合物和与氢反应的材料如Pt或Pd化合时，过渡金属/Pt或Pd键可具有作为电学特性的导电性或者半导电性。如果将具有所述电学特性的这种材料设置成层状结构，则其可起到储气介质的作用。
如果纳米线晶体形成为平坦的薄膜，则优选层间距离为约1nm到约100nm。如果纳米线晶体形成为圆形，则优选其直径为约1nm到1μm。所提出的距离和直径为用于基于化学或者物理吸引力维持待存储的材料的有效吸收或者解吸的距离。而且，层间的纳米线晶体可具有几纳米到几微米的宽度，并且其尺寸不限。即，层间的纳米线晶体可为几厘米。纳米线晶体的高度不限于其尺寸。纳米线晶体可由多个单晶形成。这种结构也不限于其尺寸。在这样的纳米线晶体中，当材料被吸收在层之间时，通过改变层间距离来提高吸附能力。因此，可克服所吸收的材料在外面解吸的缺点。例如，当五氧化二钒纳米线晶体吸收来自外部的气体时，五氧化二钒纳米线晶体可改变晶体层之间的距离。
下文中，将描述根据本发明的储气介质101的制造方法。
储气介质101可使用选自金属氧化物、半导体氧化物、过渡金属化合物、和过渡金属氧化物中的一种形成。在其中额外添加离子交换树脂或者溶剂以形成储气介质101。在此，离子交换树脂有助于金属氧化物或者半导体氧化物的生长。而且，溶剂安全地到达纳米线晶体之间，从而形成包括金属氧化物晶体、半导体氧化物晶体、和溶剂-金属(或半导体)氧化物晶体的纳米线晶体。
储气介质101可通过溶胶-凝胶法、溅射、或者化学或物理沉积方法形成。溶胶-凝胶法用于将纳米线晶体形成为膜或块状体。而且，溶胶-凝胶法可使纳米线晶体生长为薄膜。即，通过将一个层堆叠在另一层上而在层间形成间隔，从而形成储气介质101。而且，可通过在纳米线晶体层之间形成牺牲层和在形成纳米线晶体层之后除去所述牺牲层而形成间隔。例如，在纳米线晶体层之间形成氧化硅层或者氮化硅层作为牺牲层，并且从那里除去氧化硅层或者氮化硅层。
而且，利用纳米颗粒、分子或者聚合物，储气介质101可形成为块状体型以改善相邻纳米线晶体层之间的内聚能力。
同时，将多层纳米线晶体形成为纳米薄膜、片(pellet)、或者膜。可通过喷涂法、旋涂法、和使用滴液吸移管的吸收法形成纳米线晶体的纳米薄膜。
当纳米线晶体和纳米化合物包括在溶剂中时，将所述溶剂完全蒸发或者除去。然后，将纳米线晶体和纳米化合物置于预定模具中，并且通过对在预定模具中的纳米线晶体和纳米化合物加压而形成其片型结构。当纳米线晶体和纳米化合物包括在溶剂中时，通过将溶剂过滤穿过预定的过滤器而将溶剂除去，可形成膜型结构。此外，采用旋涂法、使用滴液吸移管的吸收法和喷涂法可形成纳米薄膜型结构。
旋涂法是将纳米线晶体吸收到多孔材料或者网状材料中的方法。具有复合叠层结构的薄膜可通过适当控制旋涂数而形成。即，在旋涂法中，纳米线晶体吸收到多孔材料中，在其上堆叠另一多孔材料，再将纳米线晶体吸收到该多孔材料中。
喷涂法是通过向多孔材料或网状材料喷涂纳米线晶体而在多孔材料或网状材料处形成薄膜的方法。即，通过向多孔材料喷涂纳米线晶体而使纳米线晶体吸收到多孔材料中。然后，在其上堆叠另一多孔材料，并且通过喷涂纳米线晶体形成另一薄膜。
为了稳定地形成多个纳米线晶体层，储气介质101可在纳米线晶体层之间包括能吸收/能解吸的材料如水分子，以使相邻层能够彼此支撑。此处，能吸收/能解吸的材料通过化学结合或者物理结合与纳米线晶体层结合。如上所述，通过热过程，储气介质101中的多个纳米线晶体层可解吸出无定形或者能吸收/能解吸的材料。在从纳米线晶体层解吸出所述材料后，纳米线晶体层之间形成空的空间。具有氢的预定材料可存储在纳米线晶体层之间的空的空间中。
为了将具有氢的材料有效地吸收在纳米线晶体层之间，可对纳米线晶体层的表面进行处理。具有硅烷、胺、或者羧基的分子可用于处理其表面。例如，氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)和氨丙基三甲氧基硅烷(APTMS)可用作所述具有硅烷的分子。这样的分子使两个相邻纳米线晶体之间的吸引力提高，从而稳定地维持所述具有氢的材料。
为了提高吸收能力，当形成纳米线晶体时将具有大表面积的材料混合到溶剂中，来代替对纳米线晶体层的表面进行处理。此处，具有大表面积的材料为具有约几nm2到几千μm2，例如约1nm2到10000μm2的表面积的材料。即，具有大表面积的材料包括：例如聚吡咯、聚乙炔和聚乙烯的聚合物，碳纳米管，导电和非导电纳米线，并五苯，和例如萘的有机材料。
当形成纳米线晶体时，将这样的材料与溶剂混合。所述材料使纳米线晶体的内聚力和表面积增加，从而增大了材料的存储能力。例如，由于可使用电化学方法制造纳米尺寸的聚吡咯材料，因此通过在构成聚吡咯时将纳米线引入到聚吡咯中而使纳米线-聚吡咯组合物结晶。结果，提高了纳米线晶体之间的内聚力。在待存储的材料被吸收在纳米线晶体间之后，难以将所述材料从纳米线晶体解吸。
如图1中所示，根据本实施方式的储气装置可进一步包括加热部件105。加热部件105设置在储气介质101的下部。加热部件105施加热量以将能解吸的材料从具有可变化合价的材料101A(即纳米线晶体层)解吸。例如，加热部件105施加热量以将具有氢的材料从纳米线晶体层解吸。
纳米线晶体层和所述能解吸的材料之间的结合通过从加热部件105施加的热量而破坏。即，通过加热所述纳米线晶体层使所述纳米线晶体层振动。纳米线晶体层的振动破坏纳米线晶体层的吸引力，从而破坏纳米线晶体层和能吸收/能解吸的材料的结合。当能吸收/能解吸的材料从纳米线晶体层解吸时产生预定的表面积。该表面积的大小约等于全部纳米线晶体的表面积大小。具有氢的材料可存储在形成于纳米线晶体层之间的间隔中。
根据本实施方式的储气装置进一步包括冷却部件106。冷却部件106冷却储气介质101以在纳米线晶体层之间吸收具有氢的材料。储气介质101使纳米线晶体层之间的距离变窄。即，冷却部件106使具有氢的材料的分子之间的距离最小化以使得所述具有氢的材料能够被有效地吸收。
根据本实施方式的储气装置可进一步包括用于将具有氢的材料引入到储气介质101中或者将具有氢的目标材料从储气介质101排出并且保护储气介质101的腔室104。腔室104包括用于将能吸收/能解吸的材料或者具有氢的目标材料引入到储气介质101中的入口104a和用于将所解吸的材料从储气介质101排出的出口104b。此处，腔室104可包括一个开口作为入口104a和出口104b。
根据本实施方式的储气装置可进一步包括用于支撑储气介质101的多层纳米线晶体结构的支撑部件103。此处，支撑部件103可形成为三维(3-D)多边形如三角形、矩形、正方形、五边形和八边形。或者，支撑部件103可形成为圆柱形腔室。支撑部件103设置在腔室104内。支撑部件103的上部打开以暴露纳米线晶体层，从而与腔室104的入口104a和出口104b连通。
下文中，将描述根据本实施方式的储气装置的操作。
首先，通过加热部件105使储气介质101的内部温度升高，从而使储气介质101的各层之间的距离最大化。然后，通过腔室104的入口104a将气体引入到腔室中，腔室104的内部压力升高为高于1个大气压。在使内部压力升高后，中断加热部件105，同时通过冷却部件106使储气介质101冷却下来。此处，在维持储气介质101的内部压力、同时降低温度的情况下，使待存储材料的分子之间的距离最小化。结果，具有氢的材料被存储在储气介质101中。然后，通过加热部件105加热储气介质101以将存储或者吸收在储气介质101中的材料排出。
如图2中所示，储气介质101包括各自具有可变化合价的多个纳米线晶体层101A以及形成在两个相邻的材料层101A之间用于吸收预定材料的空的空间101B。空的空间101B可作为与纳米线晶体层物理和化学结合的能吸收/能解吸的材料形成。或者，空的空间101B可在制造储气介质101时形成为空的结构。
能吸收/能解吸的材料从纳米线晶体层解吸。结果，在纳米线晶体层之间形成空的空间。然后，将目标材料存储在纳米线晶体层之间的空的空间中。即，对储气介质101进行加热并且通过实施加热和抽空而在腔室中形成真空状态。结果，纳米线晶体层之间的距离由于热能的增加而伸长，并且纳米线晶体层之间的吸收材料被分离。
然后，在将吸收在纳米线晶体层之间的材料排出之后形成的空的空间中存储具有氢的材料。例如，气体如氢气分子、氧气分子、氮气分子和氦气分子，或者比纳米线晶体层之间的距离小或者略大的材料。此处，在进行高温热过程时纳米线晶体层发生振动。这种振动使得纳米线晶体层之间的距离更长。因此，可将比纳米线晶体层之间的距离略大的材料存储在储气介质101中。而且，在存储具有氢的材料之后，纳米线晶体层之间的距离可变化。
下文中，将描述在将吸收在纳米线晶体层之间的材料除去后存储目标材料的方法和将存储在纳米线晶体层之间的材料排出的方法。
参照图1和5，在储气介质101形成之后，储气介质101设置在腔室104内以与加热部件105和冷却部件106相接触。
首先，在步骤S51中，通过利用排出阀(未示出)打开出口104b而在储气装置的腔室104内形成真空状态，然后，通过加热部件105对储气介质101进行加热而将吸收在纳米线晶体层之间的材料除去。
然后，在步骤S52中，关闭出口104b，并且通过利用进给阀(未示出)打开入口104a而将待存储的目标材料引入到腔室104中。此处，气氛压力高于环境压力。根据待存储材料的量控制压力。
然后，在步骤S53中，通过在加压的同时打开入口104A而降低内部温度以使所述材料稳定地存储在纳米线晶体层之间。此时，中断加热部件105，并且利用冷却部件106使内部温度逐渐降低。而且，吸收材料的量在温度降低时增加，对腔室连续加压以补偿连续降低的压力。
如上所述，通过将纳米线晶体层之间的吸收材料除去和将目标材料存储在纳米线晶体层之间的空的空间中而将材料存储在储气介质101中，所述空的空间是由所除去的材料形成的。
例如，可在常温例如约21℃～约23℃下将氢存储在储气介质101中。然而，在将氢吸收在储气介质101中之后，在预定压力下，如果储气介质101的温度降低，则氢可更有效地存储。优选使储气介质101的温度降低至4.2K℃、或者更优选地77K(其为液氮的温度)。因此，用于存储目标材料的方法可进一步包括在步骤S52之前将储气介质101的内部温度冷却至常温或者极低温度(包括液氮的温度)以增加引入的氢的量的步骤。
在步骤S51中，可进行加热储气介质的过程和在腔室中形成真空状态的过程之一，以将所吸收的材料从纳米线晶体层解吸。然而，如果加热储气介质的过程和在腔室中形成真空状态的过程两者一起进行，则所吸收的材料更有效地从纳米线晶体层解吸。
此处，加热储气介质的过程是利用设置在储气介质101的下部的加热部件105进行的。可在不使纳米线晶体层熔化的温度范围内对储气介质进行加热。如果在利用加热部件105加热储气介质101时在储气介质101的腔室中形成真空状态，则纳米线晶体层之间的距离可进一步变宽，从而更有效地保证存储空间。此处，真空度越高，获得的存储空间越宽。优选压力在1atm到700atm或者到支撑部件103可经受的极限压力范围内。
图6为根据本发明实施方式从纳米线晶体层排出气体的方法的流程图。
参照图6，在步骤S61和S62中，通过利用加热部件105加热具有预定存储物的储气介质101而使腔室的内部温度升高，并且通过利用排出阀打开出口104B而将从纳米线晶体层解吸的材料排出。此处，如果目标材料的浓度高于对目标材料进行吸收的浓度，则可排出所解吸的材料而无需升高其温度。
下文中，将通过示例性实验描述根据本实施方式的储气装置。
示例性实验
□五氧化二钒纳米线晶体结构的观察
图7为根据本发明实施方式的储气介质中的钒纳米线晶体结构的照片。该照片是通过原子力显微镜(AFM)拍摄的。参照图7，钒纳米线晶体形成为网状网络。单个纳米线晶体的长度长于1微米。此处，纳米线晶体具有长方体形状，其中纳米线晶体的宽度为几十纳米，纳米线晶体的高度为几纳米到几十纳米，并且纳米线晶体的长度为几微米到几十微米。
□测量钒纳米线晶体的存储容量
进行热重分析(TGA)以分析在示例性实验中形成的具有储气介质的储气装置的氢容量。图8为显示对氢容量进行分析的结果的图。通过根据实验中的温度重量比测量重量变化(重量比)而提供关于样品组成分析和热稳定性的信息。在实验中，通过将储氢之前具有所填充的能吸收/能解吸的材料的储气介质的重量与除去了能吸收/能解吸的材料的储气介质的重量相比而测得储气介质的最大储氢容量。
即，将包括在钒纳米线晶体中的溶剂完全除去，并且将钒纳米线晶体放入到热重分析仪中。然后，其温度从0℃逐渐升高到700℃。如图8中所示，钒纳米线晶体的重量从100重量％下降至约500℃处的75重量％。其意味着吸收在钒纳米线晶体中的水被完全除去。即，储气介质最低为约75重量％。基于该结果，储气介质可最大限度地存储约25重量％的氢。
提出了各种用于测量存储在储气介质中的氢的方法。本文中，石英晶体Microvalvce(QCM)质谱仪在该实验中用于测量储氢容量。图9显示QCM质谱仪的结构。
参照图9，QCM包括两个电极301和303和石英晶体振荡器302。通过向电极301和303施加交流电(AC)而使石英晶体振荡器302振动，并且引起共振的振荡频率是确定的。此处，石英晶体振荡器302的共振频率为约9MHz。如果材料置于石英晶体振荡器302上，则材料独特的共振频率改变。振动频率的变化与重量的变化紧密相关。即，Dm＝-1.068Df(ng)。此处“1.068”为与石英的特性相关的常数，并且ng表示单位纳克。
如上所述，储气介质103置于QCM质谱仪上并且通过使用振荡器制造振动来测量储气介质103的响应特性。这种QCM质谱仪可被加热或者冷却。将QCM质谱仪设置在腔室中并且在腔室外面测量响应特性。此处，频率的下降意味着重量的增加。而且，频率的增加意味着重量的下降。
储氦容量分析
图10为显示储氦容量的图。图中，x轴表示时间且y轴表示频率。
参照图10，在区域I中，在维持10-5托的真空状态的同时，温度升高至395K。然后，当温度升高并且形成真空状态时，由于频率逐渐升高，因此重量下降。其意味着，由于包含在钒纳米线晶体中的水被除去，储气介质的重量减少。在区域II中，保持所述温度，压力升至11.2atm。然后，将氦吸收到除去水之后形成的空间中。即，频率逐渐降低。在区域III中，压力维持为11.2atm并且温度降低至295K。由于温度降低，因而频率进一步降低。因此，氦的量进一步增加。最后，钒纳米线晶体和其中所存储的氦的重量比为约3.5768重量％，其可基于频率和重量之间的关系计算。这样的结果是在使用QCM质谱仪计算重量之后通过基于压力和温度修正重量比而得到的。
储氢容量分析
图11为显示储氢容量的图。在图中，x轴表示时间且y轴表示频率。
参照图11，在区域I中，在压力保持在10atm的同时，温度升高至295K。在区域II中，保持所述温度，压力升高至20atm。即，仅改变频率。就是说，与储氦容量分析类似，使用QCM质谱仪在相同的压力和温度下测量初始频率变化。然后，在预定材料置于QCM质谱仪上之后测量频率变化。然后，基于初始频率和在将预定材料置于QCM质谱仪上时变化了的频率之间的差值测量重量。作为该实验的结果，根据本实施方式的储气介质的储氢容量计算为约1.611重量％。
然而，如图11中所示，可在其中频率逐渐下降、压力比较低(例如约20atm)并且温度为常温的不利条件下存储氢。即，其意味着，如果压力升高和温度降低至液氮的温度，则储气介质中可存储更多的氢。
在本实施方式中，储气介质描述成包括五氧化二钒纳米线晶体。然而，本发明不限于此。如上所述，储气介质可包括：由过渡金属或者另外的金属与元素的组合制成的存储介质，由其晶体制成的块体型存储介质、和由Pt或Pd制成的化合物。即，如果其晶体具有保证层间间隔的多层结构，则这些存储介质可用作根据本实施方式的储气介质。而且，具有可在混合样品时容易地排出的材料的结构体可用作根据本实施方式的储气介质。而且，包括可在复合之后容易地除去的材料的结构体可用作根据本实施方式的储气介质。
本申请含有与分别在2006年12月6日和2007年9月18日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请2006-0123238和2007-0094685相关的主题，将所述申请的全部内容引入本文作为参考。
虽然已描述了本发明的某些优选实施方式，但是本领域技术人员应明白，在不偏离由所附权利要求所限定的本发明的范围的情况下，可进行各种变化和修改。

Claims (25)

1.储气介质，包括：
各自具有可变化合价的多个材料层，
其中所述材料层各层均包含未参与化学结合的多余电子。
2.权利要求1的储气介质，进一步包括：
设置在所述材料层之间并且以分子形式与所述材料层化学和物理结合的能吸收/能解吸的材料。
3.权利要求1的储气介质，其中各所述材料层由相同或者不同的材料制成。
4.权利要求1的储气介质，其中各所述材料层隔开约0.1至100nm。
5.权利要求1的储气介质，其中各所述材料层由纳米线晶体制成。
6.权利要求5的储气介质，其中待存储的目标材料在相邻材料层之间的间隔中与所述纳米线晶体化学结合。
7.权利要求6的储气介质，其中所述化学结合为离子键合、金属键合、以及范德华键合中的一种。
8.权利要求5的储气介质，其中所述纳米线晶体由选自半导体纳米材料、结合有过渡金属的化合物、和过渡金属氧化物中的一种制成。
9.权利要求8的储气介质，其中所述过渡金属为选自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中的一种。
10.权利要求8的储气介质，其中所述结合有过渡金属的化合物为选自LaNi5、MmNi3、Mg2Ni、TiMn2、TiV2、TiFe、TiCo、TiVCr、TiVMn、Mg2Cu、ZrMn2、ZrV2和LiAl中的一种。
11.权利要求8的储气介质，其中所述过渡金属氧化物为钒氧化物。
12.权利要求11的储气介质，其中所述钒氧化物为选自VO2、V2O3和V2O5中的一种。
13.权利要求8的储气介质，其中在样品合成时或者在样品合成后采用离子注入掺杂所述纳米线晶体。
14.权利要求8的储气介质，其中使用所述过渡金属之一作为所述离子。
15.权利要求8的储气介质，其中所述纳米线晶体是通过添加离子交换树脂和溶剂形成的。
16.权利要求15的储气介质，其中所述溶剂包括具有1nm2到10000μm2表面积的材料。
17.权利要求15的储气介质，其中所述溶剂包括选自碳纳米管、导电纳米线、非导电纳米线和有机材料中的一种。
18.权利要求15的储气介质，其中将所述溶剂与由聚吡咯、聚乙炔、和聚乙烯组成的组中的一种或者至少两种聚合物混合。
19.权利要求5的储气介质，其中所述纳米线晶体形成为纳米薄膜、片型块体、或者膜。
20.储气装置，包括：
腔室；
设置在所述腔室中的储气介质；
用于加热所述储气介质的加热部件；和
用于冷却所述储气介质的冷却部件，
其中所述储气介质包含各自具有可变化合价的多个材料层并且所述材料层各层均包含未参与化学结合的多余电子。
21.权利要求20的储气装置，其中所述腔室包括：用于将待存储的目标材料引入到所述储气介质中的入口；和用于将所述目标材料从所述储气介质排出的出口，其中所述储气介质进一步包括用于支撑所述具有可变化合价的材料层的支撑部件。
22.使用包括腔室、设置在所述腔室中的储气介质、用于加热所述储气介质的加热部件、和用于冷却所述储气介质的冷却部件的储气装置储气的方法，包括如下步骤：
通过加热部件加热储气介质；
将目标材料引入到所述储气介质；和
通过所述冷却部件冷却所述储气介质而将所述目标材料存储在所述储气介质中。
23.权利要求22的方法，进一步包括在引入目标材料之前将所述储气介质冷却至常温的步骤。
24.权利要求22的方法，其中在加热储气介质时，将所述储气介质的内部维持为真空状态，和其中在通过加热部件加热储气介质时，加热所述储气介质以使吸收在所述储气介质中的材料解吸。
25.权利要求22的方法，进一步包括如下步骤：将从所述储气介质解吸的材料排出到所述腔室之外。
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