高容量储氢材料的研究进展_刘永锋
储氢材料研究进展
储氢材料研究进展储氢材料是一种能够吸附、存储和释放氢气的材料。
由于氢气是一种清洁、高能量密度的能源源，因此研究和开发高效、安全、可靠的储氢材料对于实现氢能源经济至关重要。
以下是储氢材料研究的一些最新进展。
一种被广泛研究的储氢材料是金属-有机骨架材料(MOFs)。
MOFs是由金属离子(或金属团簇)与有机配体构成的晶状材料。
它们具有大的表面积和可调、高度可控的孔隙结构，这使得它们能够有效地吸附和储存氢气。
近年来，研究人员发现通过改变MOFs的化学组成和结构，可以进一步提高其储氢性能。
例如，将不同的金属离子引入MOFs，并调整配体的取代基，可以改变材料的吸附容量和吸附条件。
此外，研究人员还尝试利用功能化MOFs，如在其表面引入催化剂，以提高氢气的解吸速度和反应活性。
除了MOFs，碳基材料也是另一个研究热点。
碳基材料具有优良的导电性、热稳定性和化学稳定性，使其成为理想的储氢材料。
碳纳米管、石墨烯和活性炭等碳基材料都已被广泛研究用于储氢。
石墨烯具有高表面积和高导电性，可以增加吸附氢气的能力，并提高储氢速度。
碳纳米管则可以通过改变结构和直径来调节其吸附容量。
此外，不同的活性炭材料具有不同的微孔结构和吸附能力，可以根据需要进行选择和优化。
还有一类被广泛研究的储氢材料是金属氢化物。
金属氢化物具有较高的密度和储氢容量，是一种高效的储氢材料。
然而，金属氢化物的储氢速率通常较低，且吸附和解吸氢气需要较高的温度和压力。
为解决这一问题，研究人员已经开始将金属氢化物与其他材料进行复合。
例如，金属氢化物与MOFs或碳纳米管复合可以提高储氢速率和降低操作温度和压力。
此外，添加催化剂如铂、钯或镍等也可以增加金属氢化物与氢气之间的反应速率。
除了上述材料，还有一些其他新颖的储氢材料被研究出来。
例如，储氢容量较高的两性离子材料和金属有机骨架材料，以及结合常规材料如钠、镁和铝等金属的储氢合金材料。
这些新颖材料的研究为高效、可持续、低成本的储氢技术的发展提供了新方向。
储氢材料的研究进展
储氢材料的研究进展一、本文概述随着全球能源结构的转型和可持续发展目标的日益紧迫，氢能作为一种清洁、高效的能源形式，正受到越来越多的关注。
而储氢材料作为氢能利用的关键环节，其性能的提升和技术的突破对于氢能的大规模应用具有决定性的影响。
本文旨在全面综述储氢材料的研究进展，通过对不同类型储氢材料的性能特点、应用领域以及发展趋势进行深入探讨，以期为氢能领域的科研人员和技术人员提供有益的参考和启示。
本文将首先介绍储氢材料的研究背景和重要意义，然后从物理储氢材料、化学储氢材料和复合储氢材料三个方面，分别阐述各类储氢材料的最新研究成果和进展。
在此基础上，本文将重点分析储氢材料的性能评价指标，如储氢密度、吸放氢动力学、循环稳定性等，并探讨影响这些性能指标的关键因素。
本文将展望储氢材料的发展趋势和未来研究方向，以期为推动氢能领域的技术创新和产业发展贡献一份力量。
二、储氢材料的分类储氢材料，作为能量储存和转换的重要媒介，在氢能源的应用中扮演着关键角色。
根据其储氢机制和材料特性，储氢材料大致可分为物理吸附储氢材料、化学氢化物储氢材料、金属有机骨架储氢材料以及纳米储氢材料等几大类。
物理吸附储氢材料：这类材料主要通过物理吸附作用储存氢气，如活性炭、碳纳米管、石墨烯等。
这些材料具有高的比表面积和良好的吸附性能，能够有效地吸附并储存氢气。
然而，其储氢密度相对较低，且受温度和压力影响较大。
化学氢化物储氢材料：这类材料通过化学反应将氢气转化为氢化物来储存氢，如金属氢化物（如NaAlHMgH2等）和氨硼烷等。
这类材料具有较高的储氢密度，但储氢和释氢过程通常需要较高的温度和压力，且可能伴随有副反应的发生。
金属有机骨架储氢材料：金属有机骨架（MOFs）是一种新型的多孔材料，具有高的比表面积和孔体积，以及可调的孔径和化学性质。
MOFs材料通过物理吸附或化学吸附的方式储存氢气，具有较高的储氢密度和良好的可逆性。
纳米储氢材料：纳米储氢材料主要包括纳米金属颗粒、纳米碳材料等。
储氢材料的研究进展
储氢材料的研究进展储氢材料是指能够有效地吸附和存储氢气的材料，是实现氢能源经济利用的关键技术之一、目前，储氢材料的研究进展日益迅速，主要集中在金属氢化物、碳基材料和有机多孔材料等几个方向上。
金属氢化物是当前最常用的储氢材料，其具有高储氢容量和可逆性的优点。
研究者们将重点放在改善金属氢化物的储氢动力学性能方面，包括催化剂的引入、微观结构和晶体形态的调控等。
另外，也有一些新型金属氢化物相如LiBH4、NaAlH4等被发现具有更高的储氢容量和较低的吸附解吸温度，为进一步提高金属氢化物的储氢性能提供了新的思路。
碳基材料是近年来备受关注的储氢材料。
石墨烯是一种具有单层碳原子构成的二维材料，具有大的比表面积和孔隙结构，能够容纳较多的氢气。
同时，碳纳米管、石墨烯氮化物和多壁碳纳米管等碳基材料也被广泛研究。
通过纳米材料的合成和结构调控，可以提高材料的储氢性能。
此外，研究者们还利用功能化改性碳基材料，如使用过渡金属氧化物、转金属等对其进行改性，提高其储氢性能。
有机多孔材料也是一种研究热点。
有机多孔材料具有大的比表面积和丰富的孔结构，可以通过吸附作用容纳大量的氢气。
目前，金属有机框架材料（MOF）和共轭有机多孔聚合物（CMP）是研究的主要方向。
MOF具有多元功能，通过合理选择金属和有机配体可以控制其孔隙结构和氢气吸附性能。
CMP是一种由共轭聚合物构成的大分子材料，通过调节共轭长度和交替共轭单元的数量可以改变其储氢性能。
除了上述主要的研究方向，还有一些其他新兴的储氢材料备受关注，如复合材料、离子交换树脂和化学氮化物等。
复合材料的结构多样性和优异的储氢性能使其成为研究热点。
离子交换树脂具有大的孔隙结构和高度大孔度表面积，能够吸附大量的氢气。
化学氮化物是一类新型储氢材料，具有高的储氢容量和可逆性，但需要进一步研究其可控合成和储氢动力学性能。
总之，储氢材料的研究进展日益迅速，包括金属氢化物、碳基材料和有机多孔材料等多个方向。
储氢材料的研究进展1
储氢材料的研究进展1储氢材料的研究进展1储氢材料是指能够吸附或储存大量氢气的物质，它在氢能技术的应用中起着关键作用。
目前，储氢材料的研究进展如下：1.金属氢化物：金属氢化物是一种包括氢原子的金属结构。
这类材料具有高储氢密度和相对较低的温度要求，因此在储氢领域具有重要的潜力。
最常见的金属氢化物是锂氢化物和镁氢化物。
近年来，研究人员通过改变材料的微观结构和添加催化剂等方法，成功地提高了金属氢化物的储氢性能。
2.有机储氢材料：有机储氢材料是一类由碳、氢和其他元素组成的有机化合物，它们通过化学反应吸附和储存氢气。
这类材料的优势在于其相对较低的工作温度要求和较高的储氢容量。
研究人员通过设计新型的有机储氢材料和调节其结构，有效地提高了其吸附和释放氢气的性能。
3.多孔材料：多孔材料是一类具有微孔或介孔结构的材料，其具有较大的表面积和空隙，可用于吸附和储存氢气。
常见的多孔材料包括金属有机骨架材料（MOFs）、多孔有机聚合物（POPs）、金属氧化物和碳纳米管等。
近年来，研究人员通过调节多孔材料的结构和化学组成，成功地提高了其储氢性能。
4.硼氮化物：硼氮化物是一类由硼和氮组成的化合物，其具有非常高的储氢密度和热稳定性。
硼氮化物的挑战在于其吸附和释放氢气的动力学过程较慢。
近年来，研究人员通过合成纳米材料、引入催化剂和调节硼氮化物的结构等方法，成功提高了其储氢性能。
5.复合材料：复合材料是利用不同种类的材料组合而成的材料，其吸附和储存氢气的性能可以通过调节不同组分的比例和结构来改善。
常见的复合材料包括金属-有机骨架材料的混合物、碳材料的复合体等。
研究人员通过设计和合成新型的复合材料，成功提高了其储氢性能。
总结起来，储氢材料的研究进展主要包括金属氢化物、有机储氢材料、多孔材料、硼氮化物和复合材料等。
这些材料在储氢技术中具有重要的应用潜力，研究人员通过调节其结构、应用新型催化剂和合成方法等手段，不断提高其储氢性能，推动氢能技术的发展。
高容量储氢材料的研究进展_陈军
lightweightelements
Hydrides
NH3 BH3 LiBH4 NaBH
4
KBH4 Mg(BH4 )2 Al(BH4 )3 Ca(BH4)2 Ti(BH4)3 Zr(BH4)4
论储氢容量均达到 5%以上 (表 1), 为固态储氢材料与 技术的突破带 来了希 望 。 1997 年 , Zalaski等[ 5] 报道 了 Mg基储氢合金中引入纳米结构和催化相可显著提高其 动力学性能 , 从而引发了人们对轻质储氢合金的广泛兴 趣 。 同年 , Bogdanovic等[ 6] 采用 Ti(OBun)4 作为催化剂 实现了 NaAlH4 在中温范围内 (100 ～ 200 ℃)的可逆吸 / 放氢反应 , 其理论可逆储氢容量达 5.6%。 由此将储氢 材料研究拓展到铝氢化物和硼氢化物等这一类极具应用 潜力的高容量配位氢化物储氢材料 。另外 , Dillon等 [ 7]
Abstract:Hydrogenenergyisakindofidealsecondaryenergy.Thefollowingthreeproblemsneedtobesolvedinthe
developmentandapplicationofhydrogenenergy, i.e.production, storageandutilizationofhydrogen.Atthepresent stage, large-scalestorageandtransportationofhydrogenisthebottleneckofhydrogenenergyapplication.Hydrogenstoragemethodsincludehigh-pressuregaseousstorage, low-temperatureliquidstorageandsolid-statestorage.Amongthese threemethods, thesolid-statehydrogenstoragecanstorehydrogeninsolid-statematerialsthroughchemicalreactionsor physicaladsorption, andthismethodisconsideredasthemostpromisingwayofhydrogenstoragebecauseofitshighenergy densityandsafety.High-capacityandlight-weighthydrogenstoragematerialsconsistingoflightelements, suchasboron hydrides, aluminumhydrides, amidohydrides, andetc., exhibithightheoreticalhydrogenstoragecapacityofmorethan 5% (massfraction), whichbringsahopeforthebreakthroughofsolid-statehydrogenstoragematerialsandtechnologies. Thefutureresearchofnovelhydrogenstoragematerialswillfocusonthehigh-densityhydrogenstorage, close-to-roomtemperatureoperation, controllablestorage/releaseofhydrogen, andlong-lifelightweightmetal-basedhydridesandsystems.
储氢材料的研究进展
储氢材料的研究进展储氢材料是一种能够吸附和释放氢气的材料，广泛应用于氢能源领域。
目前，研究人员正在不断寻找新型的储氢材料，以提高氢气的吸附能力和储存密度，并且减少储氢过程中的能量损失。
以下是当前储氢材料研究领域的一些进展。
一、金属有机骨架材料（MOF）金属有机骨架材料是一种由金属离子和有机配体组成的晶体结构。
这种材料具有高度可控的孔隙结构，能够提供大量的吸附空间。
研究者已经成功开发出一系列储氢性能优良的MOF材料。
例如，Mg-MOF-74材料具有高达7.5 wt%的氢气存储密度，在77 K、20 bar的条件下可以实现高达6.0 wt%的氢气吸附。
二、共价有机框架材料（COF）共价有机框架材料是一种新型的多孔有机材料，由于其特殊的共价键连接方式，其结构稳定性和储氢性能较好。
例如，研究者在实验中发现，COF-5可以在77 K、物理吸附模式下实现高达7.2 wt%的氢气储存密度。
三、纳米多孔材料纳米多孔材料是一种具有高度可控孔隙结构和较大比表面积的材料。
这些材料具有丰富的储氢位点，并且能够实现快速的吸附和释放过程。
例如，一些石墨烯基的纳米多孔材料已经成功应用于氢能源领域。
研究者发现，这些纳米多孔材料能够实现高达5 wt%的氢气吸附。
四、氧化物材料氧化物材料是一种常见的储氢材料，具有较好的储氢性能。
例如，氧化镁和氧化钛等材料具有良好的氢气吸附能力。
此外，一些研究者还研究了稀土氧化物的储氢性能，并发现它们可以在相对较低的温度和压力下实现高储氢密度。
综上所述，储氢材料的研究进展十分迅速。
金属有机骨架材料、共价有机框架材料、纳米多孔材料和氧化物材料等新型储氢材料的开发，为增加氢气的储存密度以及减少储氢过程中的能量损失提供了新的思路和方法。
随着进一步研究和开发，相信未来储氢材料的性能将不断提高，并为氢能源的广泛应用提供有力支持。
储氢材料制备方法的研究进展
储氢材料制备方法的研究进展储氢材料是一种能够吸附、存储和释放氢气的物质，被广泛研究用于实现氢气能源的存储和转化。
随着氢能技术的发展，储氢材料的研究成为一个热门领域。
本文将介绍储氢材料制备方法的研究进展，并探讨其应用前景。
目前，储氢材料的制备方法主要包括物理法、化学法和物理化学复合法。
物理法主要包括压缩和吸附两种方式。
压缩方法是将氢气以高压形式存储在储氢材料中，然而这种方法存在能耗高、占用空间大的问题。
吸附方法则是通过储氢材料对氢气的物理吸附，实现氢气的存储。
然而，传统的吸附材料如活性炭和金属有机骨架材料(MOFs)等吸附能力较低，需要提高其吸附容量和吸附能力。
化学法是通过材料的化学反应实现氢气的储存。
目前，主要的化学储氢方法包括金属氢化物和化合物、化学储氢材料、化学储氢液体等。
金属氢化物和化合物可以通过与氢气反应生成金属氢化物，在需要氢气时再以逆反应方式生成氢气。
虽然金属氢化物和化合物的储氢密度较高，但其反应速度慢且循环稳定性差，需要进一步改进。
化学储氢材料是一种可以在常温和常压下吸附和释放氢气的化学物质。
它们具有快速吸附和释放氢气的能力，且循环稳定性较好。
研究人员已经开发出各种类型的化学储氢材料，如氮化物、硼氮化物、氮化硼、氨合物等。
这些材料具有高储氢容量和良好的储氢性能，但目前尚存在生产成本高、储氢温度范围窄等问题。
物理化学复合法是将物理法和化学法相结合，既兼具吸附材料的特点，又具有储氢材料的优势。
例如，将金属有机骨架材料与金属氢化物进行复合，可以提高材料的储氢容量和吸附能力。
此外，还可以通过调整材料的结构和组分，提高材料的储氢性能。
储氢材料制备方法的研究进展为氢能技术的发展提供了有力支持。
然而，目前的研究还存在一些挑战。
首先，需要提高储氢材料的吸附容量和吸附能力，以满足氢能技术的需求。
其次，还需要改进储氢材料的循环稳定性和反应速度，提高材料的实用性。
此外，还需要降低储氢材料的生产成本，以促进储氢技术的商业化应用。
高容量储氢材料的研究进展
高容量储氢材料的研究进展近年来，随着氢能源的快速发展，高效的储氢材料成为研究的热点之一、高容量储氢材料能够实现更高的氢气贮存密度，从而提高氢气的存储效率和燃烧效能。
下面将在以下几个方面介绍高容量储氢材料的研究进展。
首先，金属有机骨架材料（MOFs）是目前研究的一类重要的高容量储氢材料。
MOFs由金属离子与有机配体组成，具有高度可调性和孔隙结构。
通过调整配体的选择和结构设计，MOFs可以具备稳定的氢气吸附能力。
例如，MOF-177是一种常用的MOF材料，其具有相对较高的氢气吸附容量。
其次，多孔碳材料也是一种优秀的高容量储氢材料。
多孔碳材料具有大量的毛细孔和孔隙结构，提供了良好的氢气吸附位置。
大量研究表明，通过控制碳材料的孔隙大小和表面化学性质，可以显著提高氢气的吸附容量。
例如，通过炭化天然富勒烯（C60）可以获得高度多孔的碳材料，其具有很高的氢气吸附能力。
此外，金属氢化物也是一种重要的高容量储氢材料。
金属氢化物可以通过吸附和反应的方式储氢，并且具有高度的稳定性。
然而，研究人员一直在努力提高金属氢化物的储氢容量和反应动力学。
近年来，通过合金化和纳米化处理等手段，金属氢化物的储氢性能得到了显著改善。
最后，新型的高容量储氢材料也在不断涌现。
例如，二维材料、过渡金属储氢化物和聚合物等材料都被发现具有潜在的储氢能力。
这些新型材料在储氢容量、吸附能力和稳定性方面都具有独特的优势，并在实验室中取得了一定的研究成果。
总的来说，高容量储氢材料的研究进展非常迅速。
通过对材料结构和组成的调整，可以显著提高储氢容量和吸附能力。
未来，研究人员将继续探索新型的高容量储氢材料，并致力于解决储氢过程中的各种挑战，为氢能源的应用提供更加可靠的储氢方案。
高容量储氢材料的研究进展_刘永锋
do i:10.3969/j.issn0253-9608.2011.01.004高容量储氢材料的研究进展*刘永锋¹李超º高明霞»潘洪革¼¹副研究员,º硕士研究生,»副教授,¼研究员,浙江大学硅材料国家重点实验室和材料系,杭州310027*国家高技术研究发展计划(2009A A05Z106);国家重点基础研究发展计划(2010CB631304)关键词储氢材料储氢标准储氢机理轻金属氢化物安全、高效、经济的氢储存技术是氢能大规模应用的关键。
相对于高压气态储氢和低温液化储氢,通过氢与材料间的相互作用形成固溶体或氢化物的固态氢储存由于其好的安全性和高的能量密度,被认为是最有发展前景的一种氢储存技术。
为了满足车载氢源系统重量储氢密度大于5%的要求,目前发展中的高容量储氢材料主要包括金属铝氢化物、硼氢化物、氮氢化物和氨基硼烷化合物。
作者简要综述了最近几年这些高容量储氢材料的研究进展,重点关注材料的储氢容量、吸放氢反应热力学、吸放氢反应动力学和吸放氢机理以及成分调变、催化改性和尺寸效应对材料储氢性能的影响。
1引言近年来,随着社会经济的快速发展,人类对能源的需求不断增加,导致化石燃料等不可再生能源日渐枯竭,能源危机日益严重。
另一方面,化石燃料的大量使用也加剧了环境污染,严重威胁人类的生存环境。
因此,为了实现人类社会的可持续发展,研究开发各种新型绿色可再生能源已经成为大家的共识,特别是在低碳和零碳经济发展的今天[1]。
氢由于其储量丰富、燃烧效率高、无污染,被誉为21世纪的绿色能源载体[2]。
然而,氢能的开发利用是一个有机的系统工程,主要涉及到氢的制备、储存、输运以及应用四大关键技术[3]。
氢大量存在于石油、天然气、煤炭等化石燃料以及水中。
目前氢气的制备主要通过化石燃料重整、电解水和工业副产氢等技术获得,未来太阳能制氢和生物质制氢等利用清洁可再生能源制氢技术将成为主流,特别是氢和水之间循环利用的实现,将成为氢取之不尽、用之不竭的来源[4]。
储氢材料的研究进展
储氢材料的研究进展储氢材料是指能够安全、高效地储存氢气的材料。
储氢技术是氢能源的关键技术之一，能够实现氢能源的大规模应用。
目前，储氢材料的研究进展主要集中在氢吸附材料、化学储氢材料和物理储氢材料三个方面。
氢吸附材料是利用物理吸附的方式将氢气吸附储存于材料中。
常见的氢吸附材料包括金属有机骨架材料（MOFs）、大孔材料、以及碳基材料等。
MOFs是由有机配体和过渡金属离子组成的晶态多孔材料。
由于其具有高比表面积和可调节的孔径大小，使其成为理想的氢储存材料。
大孔材料如金属有机配合物和多孔晶体材料，具有较大的孔径和孔容，能够提供更高的氢吸附容量。
碳基材料具有优异的热稳定性和化学稳定性，是一类常见的功底途材料，如碳纳米管和活性炭等。
化学储氢材料是将氢气通过化学反应储存在材料中。
该类材料包括金属氢化物、金属化合物和有机化合物等。
金属氢化物具有高储氢密度和可逆的吸放氢性能，但其储氢温度较高，不利于应用。
为此，研究者针对金属氢化物进行了一系列的改性，如添加催化剂、改变晶体结构和尺度效应等，以提高其储氢性能。
金属化合物如过渡金属硼化物、过渡金属卡宾化物等也具有较高的储氢容量和反应活性。
有机化合物如酰胺、石蜡和脂肪酸等也被研究用作化学储氢材料，其具有储氢容量大、反应温度低等优点，但其稳定性较差，需要进行改性以提高其循环寿命。
物理储氢材料是利用吸附、吸气和共存（吸气和吸附的结合）三种方式将氢气储存于材料中。
常见的物理储氢材料主要有活性炭、多壁碳纳米管等。
活性炭是一种多孔材料，具有高比表面积和可调节的孔径大小，能够通过物理吸附将氢气吸附储存于其表面或孔道中。
多壁碳纳米管是一种碳基纳米材料，具有极小的孔径和大的比表面积，能够通过吸附、蓄存和自发释放的方式储存氢气。
总结来说，目前储氢材料的研究进展主要集中在氢吸附材料、化学储氢材料和物理储氢材料三个方面。
随着科学技术的不断发展，研究者们正在不断寻求新的储氢材料，以提高储氢容量、降低温度和压力等方面的要求，为氢能源的应用提供更多的选择和可能性。
高容量储氢材料的研究进展
高 压 气态 储 氢 是 一种 最 普 通 和最 直 接 的储 氢 方式 ，
其 原 理 是将 氢 气 压缩 储 存 在 高 压 钢 瓶 中 ， 存 压 力 一 般 储 是 １ ～ １ ａ 高 压 气 态 储 氢 具 有 充 放 氢 速 度 快 、 ０ ５ ＭＰ 。 技
世 纪 的绿 色 能 源 载体 ２。然 而 ， 能 的 开 发 利 用 是 一 个 氢 有 机 的 系统 工 程 ， 主要 涉 及 到 氢 的制 备 、 存 、 运 以 及 储 输 应 用 四大 关 键 技 术 ＿ 。氢 大 量 存 在 于 石 油 、 然 气 、 ３ ］ 天 煤
～
泛 应用 于合 成 氨 、 甲醇 以及 石 油 炼 制 ， 电 子 、 金 、 在 冶 食
品加 工 、 法玻 璃 、 细化 工 合 成 、 空 航 天 等 领 域 也 有 浮 精 航 应 用 。 尤 其 是 随 着 燃 料 电 池 技 术 的 发 展 ， 氢 作 为 汽 车 用 动力 的来 源 越来 越 受 重视 ， 通 运 输 业 将 是 氢 能 的另 一 交 个 主要 应 用 领 域［ 。然 而 ， 是 所 有 元 素 中最 轻 的 ， 氢 在 常 温 常 压 下 为 气 态 ， 度 仅 为 ０ ０ ９９ ｋ ／ ， 水 的 万 密 ． ８ ｇ ｍ。 是 分之 一 ， 此 其 高 密度 储 存 一 直 是 一 个 世 界 级 难 题 。 目 因
氢 化 物 、 氢 化 物 、 氢 化 物 和 氨 基 硼 烷 化 合 物 。 作 者 简 要 综 述 了 最 近 几 年 这 些 高 容 量 储 氢 材 料 的 研 究 进 展 。 点 关 硼 氮 重 注 材料 的储 氢 容量 、 放 氢 反应 热 力 学 、 放 氢 反 应 动 力学 和 吸放 氢机 理 以及 成 分 调 变 、 化 改 性 和 尺 寸效 应 对 材 料 吸 吸 催
储氢材料的研究进展
储氢材料的研究进展储氢材料是一种可以吸附和储存氢气的材料，被广泛应用在氢能源领域。
近年来，随着氢能源的快速发展，储氢材料的研究也得到了越来越多的关注。
本文将介绍目前储氢材料研究的进展，并对其应用前景进行展望。
目前，储氢材料主要分为吸附式储氢材料和化学式储氢材料两大类。
吸附式储氢材料是指通过物理吸附的方式将氢气存储在材料的孔隙中。
目前，碳基材料是吸附式储氢材料研究的热点之一、碳纳米材料因其大比表面积和丰富的孔结构被广泛应用于储氢领域。
相比传统的活性炭材料，碳纳米材料具有更高的吸氢容量和更快的吸附速率。
此外，金属有机骨架材料（MOFs）也是一种具有潜力的碳基储氢材料。
MOFs具有可调控的孔径和孔容，可以通过引入不同的功能基团来优化其吸附性能。
除了碳基材料，金属氢化物也是一种重要的吸附式储氢材料。
金属氢化物可以通过在金属表面形成化学键的方式来吸附氢气。
其中，镁氢化物（MgH2）是最常用的金属氢化物储氢材料之一、虽然MgH2的密度较高，但其吸附/解吸氢气的速度较慢，限制了其实际应用。
因此，研究人员正在寻找各种方式来改善金属氢化物的吸附性能，如通过合金化、纳米结构调控等手段。
除了吸附式储氢材料，化学式储氢材料也受到了广泛的关注。
化学式储氢材料是指通过在材料中形成化学键的方式将氢气储存在其中。
目前，主要的化学式储氢材料包括金属氨化物、复合材料和化学氧化物等。
这些材料通过利用化学反应的能量来存储氢气，并在需要释放时通过反应还原产生氢气。
近年来，研究人员还在探索新型储氢材料，如多孔有机聚合物、金属有机框架材料等。
这些材料具有独特的结构和吸附性能，可以提高储氢容量和吸附速率。
虽然储氢材料的研究取得了一定的进展，但目前仍然存在一些挑战。
首先，吸附式储氢材料的吸附速率和储氢容量还不够理想，无法满足实际应用的需求。
其次，化学式储氢材料的反应性和循环稳定性有待改善。
此外，储氢材料的制备成本较高，限制了其商业化应用。
然而，随着技术的不断进步和研究的深入，相信这些问题都将得到解决。
高容量储氢材料的研究进展
高容量储氢材料的研究进展
储氢技术是一种重要的能源存储和转换方式，可以在可再生能源产生过剩时存储能量，并在需要时释放。
高容量储氢材料是指能够以较高密度吸附或储存氢气的材料。
以下是一些关于高容量储氢材料的研究进展：
1. 金属有机框架（MOFs）：MOFs是一类由金属离子或簇引导有机配体组装而成的晶格材料。
一些MOFs具有高度可调节的孔隙结构和表面积，能够提供大量的吸附位点以吸附和存储氢气。
2. 碳纳米材料：碳纳米材料，如碳纳米管和石墨烯，具有很高的比表面积和孔隙结构，能够提供许多吸附位点用于储氢。
此外，通过功能化或调控结构，可以进一步增强其储氢性能。
3. 金属氢化物：金属氢化物是一种传统的储氢材料，具有高储氢容量。
近年来，研究人员通过合金化、纳米化和结构调控等手段改善金属氢化物的储氢性能，提高其反应动力学和循环稳定性。
4. 氮化硼（BN）：氮化硼是一种具有高度稳定性和独特结构的材料。
研究表明，氮化硼可以以物理吸附和化学吸附的方式高效吸附和储存氢气。
5. 金属有机骨架（MOBs）：金属有机骨架是一类由过渡金属离子与多种有机配体组装而成的晶格结构材料。
一些MOBs展示了良好的储氢性能，具有高表面积和调控孔隙结构的能力。
这些是仅仅涵盖了几个高容量储氢材料的研究进展。
研究人员正在不断探索和开发新的材料和方法来提高储氢容量、改善循环稳定性和降低成本。
高容量储氢材料的研究对于发展氢能源技术和实现清洁能源转型具有重要意义。
储氢材料研究进展
储氢材料研究进展储氢是一种将氢气存储起来以便在需要时释放的技术。
储氢材料是指能够吸附、吸收或反应氢气的材料。
目前，储氢材料的研究已经取得了一些进展，下面将对其进行具体介绍。
第一种储氢材料是吸附剂。
吸附剂是指能通过物理吸附将氢气吸附到其表面的材料。
目前研究表明，金属有机框架材料（MOFs）在储氢方面具有很大的潜力。
MOFs具有高度可调性，表面积大，孔径大小可调，能够提供更好的吸附效果。
此外，碳材料，如活性炭、石墨烯等，也是一种常见的吸附剂。
通过改变碳材料的结构和表面性质，可以提高其吸附氢气的能力。
第二种储氢材料是吸收剂。
吸收剂是指能够将氢气通过化学反应吸收到其内部结构中的材料。
一种典型的吸收剂是金属氢化物。
金属氢化物可以将氢气转化为金属氢化物，并在需要时释放出氢气。
近年来，一种新型的金属氢化物材料，即主族金属氢化物（如LiH、MgH2等），显示出了较高的储氢能力。
此外，还有其他吸收剂，如复合材料和拓扑结构材料，也显示出潜在的储氢性能。
第三种储氢材料是反应剂。
反应剂是指能够通过与氢气发生化学反应来储存氢气的材料。
一种常见的反应剂是金属合金。
金属合金通常由两种或多种金属的混合物组成，能够与氢气发生反应，并在需要时释放出氢气。
例如，氢化镁镍合金是一种常用的储氢材料，具有较高的储氢能力。
此外，还有其他一些金属合金和复合材料被研究作为储氢材料。
总的来说，储氢材料的研究取得了一些进展，但仍然存在一些挑战。
首先，储氢能力仍然有待提高。
目前已有的储氢材料在储存密度和放氢速率方面仍然存在限制。
其次，储氢材料的稳定性和循环寿命也需要进一步改进。
一些储氢材料在反复循环后会失去其储氢性能。
此外，储氢材料的成本也是一个重要的考虑因素，需要寻找更便宜和可大规模生产的材料。
总之，储氢材料的研究进展为氢能源的开发和应用提供了基础。
通过进一步的研究和创新，相信储氢材料的储氢能力和性能将得到进一步的提高，为实现低碳经济和可持续发展做出贡献。
储氢材料的分类及研究进展
储氢材料的分类及研究进展储氢材料是指能够吸收、存储和释放氢气的材料。
储氢技术是氢能应用的关键之一，可以有效解决氢能在储存和运输过程中的困难。
目前，储氢材料可分为物理吸附、化学吸附、金属氢化物和化学储氢材料等四大类。
物理吸附材料是最早被研究的储氢材料之一，其通过分子间相互作用力实现氢气的吸附。
常见的物理吸附材料包括活性炭、金属有机骨架（MOF）、碳纳米管等。
物理吸附材料具有分子均匀分散、重力失效等特点，但吸附能力较弱、脱附困难等问题限制了其实际应用。
化学吸附材料相较于物理吸附材料，通过化学键或电子云间相互作用来吸附氢气。
其可以分为配位化合物、氮碳化合物和碳负载的金属催化剂等。
化学吸附材料具有高吸附容量、可逆循环等优势，但存在中等温度下反应慢、再生困难等问题。
金属氢化物可通过吸氢和脱氢反应实现储氢。
根据金属和氢化物的反应性，可分为反应型、吸附型和固溶型金属氢化物。
金属氢化物储氢具有储氢容量大、实际应用广等优势，但存在反应速率慢、固脱附困难等问题。
化学储氢材料是一类以化学反应形式将氢气转化为其他物质来实现储氢的材料。
其可以分为金属烷基化物、金属氢化物和高温固态化合物等。
化学储氢材料具有储氢容量大、储氢速率快等特点，但由于反应副产物的处理问题，目前还存在一定的挑战。
近年来，储氢材料的研究进展主要集中在以下几个方面：1.新型材料的开发：通过合成新结构、新型配位化合物和金属有机骨架等材料，提高储氢材料的吸附容量和吸附速率。
2.改善储氢材料性能：利用催化剂改善物理吸附材料的吸附性能、通过控制金属氢化物的成分和微观结构来提高储氢性能，以及通过功能化修饰来改善化学吸附材料的再生性能。
3.界面优化：通过界面改性来提高吸附材料的吸附能力和实际应用效果。
4.储氢材料与载氢载体的设计：通过与载氢载体的复合来提高储氢材料的储氢性能，如储氢塔等。
5.储氢材料的实际应用：将储氢材料应用于氢能源领域，如氢气储存、氢能源驱动车辆等。
高密度固态储氢材料技术研究进展
高密度固态储氢材料技术研究进展高密度固态储氢材料主要包括金属氢化物、碳材料和复合材料等。
其中，金属氢化物是最常用的固态储氢材料之一、金属氢化物可以在一定的温度和压力下吸收和释放氢气，并且具有较高的储氢容量。
目前研究中主要关注的金属氢化物材料包括镁、钛、锆等金属氢化物。
研究表明，通过纳米化处理和复合材料的制备，可以进一步提高金属氢化物的储氢性能。
另外，碳材料也是一种常用的高密度固态储氢材料。
碳材料具有较高的表面积和丰富的孔隙结构，可以提供更多的吸附位点和储氢空间。
研究表明，通过调控碳材料的结构和制备方法，可以达到更高的储氢容量和吸附能力。
除了金属氢化物和碳材料，近年来复合材料也成为了高密度固态储氢材料的研究热点。
复合材料可以结合不同的材料优点，提高储氢性能。
常见的复合材料包括金属氢化物/碳材料复合材料、金属氢化物/金属氢化物复合材料等。
这些复合材料可以在一定的条件下吸附和释放氢气，具有较高的储氢容量和动力学性能。
除了材料本身的研究，高密度固态储氢材料技术还包括储氢反应动力学和材料结构设计等方面的研究。
储氢反应动力学研究可以提高储氢速率，减少吸附和释放氢气所需的时间。
材料结构设计可以进一步优化储氢容量和动力学性能，实现更高效的储氢。
总之，高密度固态储氢材料技术在过去的几年里取得了许多重要的研究进展。
不论是金属氢化物、碳材料还是复合材料等，都在不断地提高储氢容量和动力学性能。
未来，我们可以期待高密度固态储氢材料技术在氢能源储存和传输领域的广泛应用。
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do i:10.3969/j.issn0253-9608.2011.01.004高容量储氢材料的研究进展*刘永锋¹李超º高明霞»潘洪革¼¹副研究员,º硕士研究生,»副教授,¼研究员,浙江大学硅材料国家重点实验室和材料系,杭州310027*国家高技术研究发展计划(2009A A05Z106);国家重点基础研究发展计划(2010CB631304)关键词储氢材料储氢标准储氢机理轻金属氢化物安全、高效、经济的氢储存技术是氢能大规模应用的关键。
相对于高压气态储氢和低温液化储氢,通过氢与材料间的相互作用形成固溶体或氢化物的固态氢储存由于其好的安全性和高的能量密度,被认为是最有发展前景的一种氢储存技术。
为了满足车载氢源系统重量储氢密度大于5%的要求,目前发展中的高容量储氢材料主要包括金属铝氢化物、硼氢化物、氮氢化物和氨基硼烷化合物。
作者简要综述了最近几年这些高容量储氢材料的研究进展,重点关注材料的储氢容量、吸放氢反应热力学、吸放氢反应动力学和吸放氢机理以及成分调变、催化改性和尺寸效应对材料储氢性能的影响。
1引言近年来,随着社会经济的快速发展,人类对能源的需求不断增加,导致化石燃料等不可再生能源日渐枯竭,能源危机日益严重。
另一方面,化石燃料的大量使用也加剧了环境污染,严重威胁人类的生存环境。
因此,为了实现人类社会的可持续发展,研究开发各种新型绿色可再生能源已经成为大家的共识,特别是在低碳和零碳经济发展的今天[1]。
氢由于其储量丰富、燃烧效率高、无污染,被誉为21世纪的绿色能源载体[2]。
然而,氢能的开发利用是一个有机的系统工程,主要涉及到氢的制备、储存、输运以及应用四大关键技术[3]。
氢大量存在于石油、天然气、煤炭等化石燃料以及水中。
目前氢气的制备主要通过化石燃料重整、电解水和工业副产氢等技术获得,未来太阳能制氢和生物质制氢等利用清洁可再生能源制氢技术将成为主流,特别是氢和水之间循环利用的实现,将成为氢取之不尽、用之不竭的来源[4]。
此外,氢可以广泛应用于合成氨、甲醇以及石油炼制,在电子、冶金、食品加工、浮法玻璃、精细化工合成、航空航天等领域也有应用。
尤其是随着燃料电池技术的发展,用氢作为汽车动力的来源越来越受重视,交通运输业将是氢能的另一个主要应用领域[5]。
然而,氢是所有元素中最轻的,在常温常压下为气态,密度仅为0.0899kg/m3,是水的万分之一,因此其高密度储存一直是一个世界级难题。
目前,安全、高效、经济的氢气储存技术已成为氢能利用走向实用化、规模化的瓶颈。
2几种储氢技术的优缺点氢可以气态、液态或固体氢化物的形式存在。
根据氢的这一特性,人们开发了高压气态储氢、低温液化储氢和氢化物固态储氢三种储氢技术[6]。
高压气态储氢是一种最普通和最直接的储氢方式,其原理是将氢气压缩储存在高压钢瓶中,储存压力一般是10~15M Pa。
高压气态储氢具有充放氢速度快、技术相对成熟以及成本低等优点。
但高压储氢通常需要能够承受高压的钢瓶作为容器,因此重量储氢密度比较低,一个充满15M Pa氢气的标准高压钢瓶的储氢量仅为1.0wt%。
此外,在氢气压缩过程中,需要消耗大量的压缩功,能耗较大。
对于移动应用而言,高压钢瓶储氢最重要的一个缺点是存在氢气泄漏和容器破裂的隐患,安全性能差。
近年来开发的由碳纤维复合材料构成的新型轻质耐压储氢容器,尽管其储氢压力可以达到35 ~70M Pa,重量储氢量可以提高到5w t%~7wt%,但安全性问题仍有待于进一步解决。
将氢气液化后储存在真空容器中的液化储氢也是一种实用化的储氢方式。
由于常温常压下液氢的密度是气态氢的845倍,因此低温液化储氢具有体积密度高、储存容器体积小的优点。
但氢气液化过程中需要消耗大量的冷却能量,理论上液化1kg氢需要耗费4~10#19#kWh 的电,约是其储存能量的30%。
另外,为了避免蒸发损失,液氢储存容器应该具有良好的绝热性能,这使得储氢容器技术复杂,储氢成本增加。
利用氢与材料反应生成氢化物的固态储氢是一种理想的储氢方式。
固态储氢具有储氢密度高、操作方便、安全性好等优点。
金属氢化物储氢材料的单位体积储氢密度是相同温度、压力条件下气态氢的1000倍左右,而且氢是以原子的形式储存在材料中,吸放氢过程受热效应和速度所限制,具有高度的安全性,因此被认为是最具发展前景的一种储氢方式。
但绝大部分金属氢化物的重量储氢量仅为1w t%~3wt%,重量储氢容量有待于进一步提高。
图1示意性地比较了三种储氢技术储存4kg 氢时所需的体积[2]。
通过比较可知,固态氢储存所占的体积最小,说明其储氢体积密度最高,符合移动式氢源对储氢容器的要求。
图1 三种储氢技术存储4kg 氢时所需体积比较[2]3移动式氢源用储氢技术的性能指标根据应用领域的不同,储氢技术应该满足不同的要求,燃氢汽车和氢燃料电池汽车是未来氢能的一个重要应用领域。
目前,燃油汽车加满油一次可以行使400~500km 。
很自然地,人们希望氢燃料汽车也达到同样的标准。
据估算,一辆5座标准质子交换膜燃料电池(PEM FC)驱动的轿车行驶500km 约需氢气4kg 。
因此,对于车载氢源系统来说,国际能源署(IEA)在1998年提出了如下目标:重量储氢密度>5wt%,体积储氢密度>50kg/m 3,放氢工作温度<80e ,循环寿命>1100次[7]。
2009年,美国能源部(DO E)在燃料电池技术的发展和人们对新能源汽车的最新要求的基础上,对车载氢源系统提出了最新目标,如表1所示[8]。
DOE 希望:到2015年,车载氢源系统的重量储氢密度应该达到5.5wt%,体积储氢密度为40kg/m 3,工作温度在85e ,循环寿命达到1500次。
然而,到目前为止,尚未有一种储氢技术能够同时满足表1所列出的所有要求。
表1 美国能源部(DOE )规定的轻型汽车用氢源系统的部分技术参数(2009年)[8]技术参数20102015最终目标重量储氢容量(wt%)4.55.57.5体积储氢容量(g/L )284070工作温度(e )-40/85-40/85-40/95~105工作压力(MPa)0.5/1.20.5/1.20.3/1.2放氢速度(g #s -1#kW -1)0.020.020.02成本(USD/kWh)待定待定待定图2 高容量储氢材料的理论储氢容量4高容量储氢材料的研究进展基于氢化物的固态储氢技术由于其独有的安全性和高能量密度,被认为是最有希望的一种储氢方式。
20世纪60年代末美国Brookhaven 国家实验室和荷兰Philips 公司分别发现Mg 2Ni 和LaNi 5具有良好的储氢特性,引起了人们的广泛关注,并迅速应用到氢储存、净化、分离、压缩、热泵和金属氢化物镍(Ni/MH )二次电池。
特别是进入20世纪90年代,随着氢燃料电池汽车的发展,为实现燃氢汽车与燃油汽车相近的性能指标,对高容量储氢材料的需求与日俱增。
传统的间隙式金属氢化物的储氢量一般小于3wt%,不能满足车载氢源系统的要求。
为达到可逆储氢量5.0wt%~5.5wt%的目标,人们将研究重点主要集中在了由轻元素组成的氢化物材料上。
尤其是1997年,德国马普研究所的Bogdanovi c c和Schwichardi 发现添加T i 基催化剂的N aAlH 4可以在100~200e 范围内实现可逆地吸放氢,#20#储氢量可达5.6wt%[9],激起了国际上对轻金属配位氢化物的研究热潮。
目前,开发中的高容量储氢材料主要包括:金属铝氢化物[9-28]、金属硼氢化物[29-39]、金属氮氢化物[40-54]和氨基硼烷化合物[55-64]等,这些材料的储氢量在5.8w t%~19.6wt%之间(图2),是最有希望满足美国DOE对轻型汽车用车载储氢系统最新要求的储氢介质。
4.1金属铝氢化物储氢材料金属铝氢化物是一类包含有[A lH4]或[A lH6]配位基团的复合金属氢化物,典型的包含NaAlH4,LiAlH4, Mg(AlH4)2,Na2LiAlH6,L iM g(A lH4)3等。
不同于间隙式金属氢化物,金属铝氢化物的吸放氢过程是通过A-l H键的键合和断裂实现的,它包括一系列的分解反应。
以NaAlH4为例,它的分解放氢反应分为三步[11]: 3NaAlH4y Na3AlH6+2Al+3H2(1)Na3AlH6y3NaH+Al+1.5H2(2)3NaH y3Na+1.5H2(3)在未加入催化剂的情况下,上述三步分解反应分别发生在210e,250e和425e左右,加之放氢产物的再氢化非常困难,因此,尽管NaAlH4的理论重量储氢量可达7.4wt%,但在很长一段时间内,只是作为有机合成反应里的还原剂使用,并未考虑其在储氢领域的应用。
直到1997年[9],Bogdanovi c c和Schwichardi首次报道了NaAlH4中掺入2mol%的Ti(OBun)4催化剂后(mol%:摩尔百分比),可有效改善体系的热力学和动力学性能,使前两步放氢反应温度分别降至100e和160e,并且反应能够可逆地进行,使金属铝氢化物作为高容量储氢材料成为可能。
这一研究结果一经报道,便引起了国际同行的广泛关注,德国、美国、日本、加拿大、中国等国的研究人员做了大量的研究工作,以期实现其实用化。
目前,金属铝氢化物储氢材料的研究焦点主要集中在高效催化剂的优化筛选、催化机理的研究探索、尺寸效应对材料吸放氢动力学性能的影响以及新型金属配位铝氢化物储氢材料的合成上。
在高效催化剂的研究上,除了传统的T i基催化剂外,人们也研究了其他过渡族金属和稀土金属添加对NaAlH4储氢性能的影响。
Bogdanovi c c等[12]研究发现,添加2mol%ScCl3的NaA lH4的放氢量可以达到4.5wt%~4.9wt%,高于添加TiCl3样品的4.0w t%,而且Sc掺杂的NaAlH4再氢化时间约为30min,吸收90%的氢只需20min左右,仅为T iCl3掺杂样品的1/3。
对稀土元素(L a,Ce,Pr, Nd,Sm,Er和Gd)三氯化物在NaAlH4中掺杂行为的研究表明[12-13],CeCl3和PrCl3具有较佳的催化性能。
CeCl3添加体系的氢化/脱氢速率与ScCl3相类似,但表现出更好的循环稳定性能,29次吸放氢循环后,可逆储氢容量仍保持在4.0wt%以上。
在此研究的基础上, Fan等人[14]通过直接添加催化活性物种的方法,消除了金属氯化物或氟化物添加后惰性产物的生成降低有效储氢量的不利因素,显著改善了NaAlH4体系的吸放氢性能及其循环稳定性。
添加2mol%CeAl4的N aAlH4体系在120e和11M Pa的条件下,在15min内即可吸收4.9wt%左右的氢,在16个循环内,具有良好的循环稳定性。