地下煤岩储氢过程中有机质对氢气的吸附与赋存机制OA

地下煤层储氢是大规模、低成本氢能储存的重要途径之一。然而,地下煤层储氢过程中涉及的吸附传质机理及煤岩孔隙结构的调控作用尚不明确,尤其缺乏从微观结构层面系统评估煤岩有机质赋存特征对储氢性能与机制影响的研究。本研究以石槽村煤为对象,结合工业分析、岩相分析及XPS、FTIR、^(13)C NMR等表征手段,开展0~50 bar(1 bar=10^(5) Pa)下高压氢气吸脱附实验,并结合动力学模型、颗粒内扩散模型与巨正则蒙特卡罗分子模拟,系统探究煤岩储氢吸附特征、动力学行为与微观赋存机制。结果表明,石槽村煤储氢以物理吸附为主,吸附量随压力升高而增加、随温度升高而降低,吸脱附可逆性良好,等量吸附热为1.96~2.02 kJ/mol。Bangham模型对实验数据拟合效果最佳,表明氢气传质速率受孔内扩散与孔壁吸附耦合作用控制。颗粒内扩散模型进一步揭示其吸附过程可划分为外扩散控制、压力驱动微孔填充和后期加速扩散三个阶段,有效扩散系数跨多个数量级变化。分子模拟证实,氢气优先富集于大自由体积、高比表面积孔隙区,孔隙结构主导其吸附与赋存行为。本研究从热力学、动力学与孔结构协同角度阐明了煤层储氢关键机理,可为理解煤中氢气吸附行为提供基础数据。