能源材料讲稿

新能源材料

一、引言

能源是人类社会生存与发展的重要物质基础，是现代文明的三大支柱之一。能源的可持续发展是全体人类共同愿望与奋斗目标，是推动人类社会发展的重要因素之一。目前，世界的能源消耗主要还是以煤、石油、天然气之类的矿物能源为主，在开发、采集以及利用这些矿物能源的过程中，不但严重破坏了生态环境，造成了极大的环境污染，更重要的是这些能源不可再生，矿物能源的枯竭已成为共识，人类社会目前正陷入能源危机之中。于是，科学工作者提出了资源与能源最充分利用技术和环境最小负担技术。新能源与新能源材料是这两大技术的重要组成部分。新能源的发展必须靠利用新的原理来发展新的能源系统，同时还必须靠新材料的开发与利用，才能使新的系统得以实现，并提高其利用效率，降低成本。因而，发展新能源材料是解决能源危机的最根本途径。

我国作为发展中大国，能源消耗很大，但能源的利用率不高，而且能源结构也不合理，目前一次能源以煤为主，到2030年煤所占比例将超过50％。我国将面临长期能源问题，因此改变我国的能源结构，大力发展新能源以及能源综合利用技术所需的材料，对于促进我国的现代化建设，增强综合国力，既具有重要的现实意义。

二、新能源材料

新能源包括太阳能、生物质能、核能、风能、地热、海洋能等一次能源以及二次电源中的氢能等。新能源材料是发展新能源的核心和物质基础，主要是指能实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术所需要用的关键材料。新能源材料主要包括以储氢电极合金材料为代表的镊氢电池材料，以嵌锂合金为负极和LiCoO2正极为代表的锂离子电池材料、燃料电池材料、以硅半导体材料为代表的太阳能电池材料及以铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料等。当前研究的热点和技术前沿包括高能储氢材料、聚合物电池材料、中温固体氧化物燃料电池电解质材料、多晶薄膜太阳能电池材料等。

新能源材料的主要特点有：

1、新能源材料能够把原来使用的能源转变成新能源，如人类使用太阳能取暖、烘干等，现在利用半导体材料可把太阳能直接转变为电能；

2、新能源材料可以提高贮能效率，有效进行能量转换，如金属氢化物镍电池、锂离子电池都是靠电极材料的贮能效果和能量转化功能而发展起来的新型二次电池。

3、新能源材料可增加能源利用的新途径，如热电材料直接将热能转换成电能。美密歇根大学研制的BiFe热电材料在600℃温差下，热电转换效率达到18%，下一步研究的目标是汽车和电厂的热能转换，本课主要介绍储氢合金、新型二次电池、燃料电池、太阳能电池以及核能材料。

三、储氢材料

氢能是人类未来的理想能源。氢能热值高，如燃烧1kg氢可发热1.4×105kJ，相当于3kg汽油或4.5kg 焦炭的发热量；资源丰富，地球表面有丰富的水资源，水中含氢量达11.1％；干净、清洁，燃烧后生成

水，不产生二次污染；应用范围广，适应性强，可作为燃料电池发电，也可用于氢能汽车、化学热泵等。因此，氢能的开发和利用成为世界各国特别关注的科技领域。

氢能利用的关键是氢的制备技术和高密度的安全储存。由于氢在常温下为气体，密度很小，单位重量体积很大。目前市售的氢气一般都是在150个大气压下储存在钢瓶内，氢气的重量不到钢瓶重量的1/100。而且储存的氢是一种危险品，有爆炸的危险，很不方便。为了解决氢的储存和运输问题，人们研发了相应的储氢材料，主要包括活性炭、合金化合物、无机化合物以及有机化合物四大类储氢材料，其中又以合金化合物储氢材料研究最为广泛。

3.1、活性炭储氢

活性炭具有较高的比表面积，尤其是优质活性炭的比表面积可达别2000m 2/g 以上。利用低温加压可吸附储氢。例如在-120℃、5.5MPa 下，活性炭的储氢量可达4.0％(质量分数)以上。活性炭原料易得，吸附储氢和放氢操作比较简单，投资费用比较低。

随着纳米技术的进步，作为20世纪末材料科学领域最重要的发现之一，人们发现富勒烯(C 60)和碳纳米管(CNT)对氢气具有较强的吸附作用。分析表明单层碳纳米管(SWNT)的吸氢量比活性炭(AC)高，H 2在SWNT 的吸附量可达5％-10％(质量分数)，有能成为新一代的储氢材料。

3.2、无机化合物储氢

利用某些无机化合物能和氢气发生化学反应可以储氢．然后在一定条件下又可分解放出氢。例如，H.Kramer 报道了利用碳酸氢盐与甲酸盐之间相互转化的储氢技术，其吸氢和释氢反应为： 以活性炭作载体，在Pd 或PdO 的催化作用下，以KHCO 3或NaHCO 3作为储氢剂，其储氢量约为2％(质量分数)。该法优点是原料易得．储存方便、安全性好。但是储氢量比较小，催化剂价格较贵。

3.3、有机液体氢化物储氢

有机液体氢化物储氢是借助储氢载体(如苯和甲苯等)与H 2的可逆反应来实现，包括催化加氢反应和

该法储氢量大，环己烷和甲基环己烷的理论储氢量分别为7.19％和6.18％(质量分数)，比高压压缩储氢和金属氢化物储氢的实际量都大。储氢载体苯和甲苯可循环使用，其储存和运输都很安全方便。但该法也存在明显不足，催化加氢和催化脱氢装置和投资费用较大，储氢技术操作比其他方法要复杂得多。

释氢，70℃，0.1MPa 吸氢，35℃，2.0MPa 23H HCO +-O

H HCO 22++C R

5

3.4、合金化合物储氢

元素周期表中，除He 、Ne 、Ar 等稀有气体外，几乎所有元素均能与氢反应生成氢化物或含氢化合物。在一定温度和氢气压力下能多次吸收、储存和释放氢气的合金被称为储氢合金。如大多数过渡金属与氢反应形成不同类型的金属氢化物，由于其特殊的晶格结构等原因，在一定条件下，氢原子比较容易进入金属晶格的四面体或八面体间隙中，形成金属氢化物，如TiH 2、ZrH 1.9、PrH 2.8、TiCoH 1.4、LaNi 5H 、MmNi 4.5H 6.6等。这类材料可储存比其体积大1000-1300倍的氢，而且合金中存储的氢表现为H 与H +之间的中间特性，与这些金属的结合力较弱。当金属氢化物受热时，又可释放出氢气。

理论上，能够在一定温度、压力下与氢形成氢化物并且具有可逆反应的金属或合金都可以作为储氢材料。但是，要使储氢合金材料达到实用的目的，必须满足下列要求：

(1)储氢量大，能量密度高；

(2)吸氢和放氢速度快；

(3)氢化物生成热小；

(4)分解压适中，若分解压过高，则吸氢时充氢压力较高，需要使用耐高压容器，若分解压过低，则必须加热才能释放氢，需要消耗能源；

(5)容易活化。储氢合金第一次与氢反应称为活化处理，活化的难易直接影响储氢合金的实用价值；

(6)化学稳定性好，经反复吸、放氢，材料性能不衰减、对氢气中所含的杂质敏感性小，抗中毒能力强，使用寿命长；

(7)在储存与运输中安全、无害；

(8)原料来源广、成本价廉。

目前研究最多和投入应用的储氢合金材料主要有稀土系列、镁镍系列、钛合金系列等。大多数金属氢化物储氢量在1％-4％(质量分数)、能量密度高，所需费用明显低于深冷液化储气，与高压压缩储氢相当，而且原料易得，可满足各方面应用的要求，安全可靠。它是目前各国都在积极研究开发的一种很有前途的储氢方法。

3.4.1、稀土系储氢合金

LaNi 5是稀土系储氢合金的典型代表，由荷兰Philip 实验室于1969年首先研制。LaNi 5具有CaCu 5型六方结构，在室温下可与一定压力的氢气反应即形成相应的氢化物，如下式所示。LaNi 5具有优良的储氢性能，块状LaNi 5合金储氢量约1.4％(质量分数)，平衡压力适中而平坦．滞后小，容易活化，具有良好的动力学特性和抗杂质气体中毒性，吸放氢滞后很小。

由于LaNi 5成本高(需要纯La 作原料)，大规模应用受到限制，因此发展了稀土系列多元合全。

1、LaNi 5三元系：通过对La 原子和Ni 原子的置换，目前主要有两大类三元合金：LaNi 5-x M x (M ＝Al 、Mn 、Cr 、Fe 、Co 、Cu 、Ag 、Pd 、Pt 等)和R 0.2La 0.8Ni 5 (R ＝Zr 、Y 、Gd 、Nd 、Th 等)。对于LaNi 5-x M x 合金，除Pd 和Pt 外，其它元素对Ni 的置换均使金属氢化物稳定性提高，平台压力降低。对于R 0.2La 0.8Ni 56

525H LaNi 3H aNi L =+