新能源材料——储氢材料的研究进展

目录

1 储氢合金 (1)

1.1 储氢合金的原理 (1)

1.2 理想的贮氢金属氢化物 (2)

1.3 常用储氢合金 (2)

1.3.1 稀土系储氢合金 (2)

1.3.2 镁系储氢合金 (2)

1.3.3 镁基储氢材料的主要制备方法 (2)

2 碳基和有机物储氢材料 (2)

2.1 碳基储氢材料 (2)

2.1.1 活性炭储氢 (2)

2.1.2 碳纤维储氢材料 (3)

2.1.3 碳纳米管储氢材料 (3)

2.2 有机物储氢材料 (3)

2.2.1 有机液体储氢 (3)

2.2.2 金属有机物储氢 (3)

3 络合物储氢材料 (3)

4 玻璃微球储氢材料 (4)

5 总结 (4)

6 参考文献 (5)

新能源材料——储氢材料的研究进展

摘要综述了近年来储氢材料的研究进展, 简要介绍了合金、碳基和有机物、络合物和玻璃微球等几种主要储氢材料的储氢材料应用并指出储氢材料发展趋势。

关键词储氢材料，应用，进展

能源是国民经济的基础, 是人类赖以生产、生活和生存的重要源泉。随着科学技术的进步, 人类社会经历了薪柴、煤炭和石油三个能源阶段。从未来社会能源结构看, 人类一方面要面对煤、石油等矿物能源的日益枯竭, 另一方面又要正视矿物能源所造成的环境污染问题。如酸雨、温室效应等已给人类带来了相当大的危害, 而汽车尾气也成为大气污染的一个主要来源之一。因此寻找一种可替代传统碳氢化合物能源的新能源已成为世界各国科学家毕生奋斗的目标。

氢在宇宙间含量丰富, 具有许多特殊的性质, 是理想的二次能源。氢是一种高能量密度、清洁的绿色新能源, 它在燃料电池以及高能可充放电电池等方面展现了很好的应用前景。在利用氢能的过程中, 氢气的储存和运输是关键问题。

传统的高压气瓶或以液态、固态储氢都不经济也不安全。而使用储氢材料储氢能很好地解决这些问题。目前所用的储氢材料主要有合金、碳基和有机物、某些络合物和玻璃微球储氢材料。本文讨论了几种主要储氢材料的储氢功能特点, 综述了它们的近期研究进展。

1 储氢合金

储氢合金是一种能储存氢气的合金，它所储存的氢的密度大于液态氢，因而被称为氢海绵。而且氢储入合金中时不仅不需要消耗能量，反而能放出热量。储氢合金释放氢时所需的能量也不高，加上具有安全可靠、储氢能耗低、单位体积储氢密度高等优点，因此是最有前途的储氢介质。

1.1 储氢合金的原理

合金可逆地与氢形成金属氢化物，或者说是氢与合金形成了化合物，即气态氢分子被分解成氢原子而进入了金属之中。由于氢本身会使材料变质。而且，储氧合金在反复吸收和释放氢的过程中，会不断发生膨胀和收缩，使合金发生破坏，因此，良好的储

氢合金必须具有抵抗上述各种破坏作用的能力。

1.2 理想的贮氢金属氢化物

理想的贮氢金属氢化物应具有如下特征: (1) 贮氢量大, 能量密度高; (2) 氢解离温度低, 离解热小; (3) 吸氢和氢解离的反应速度快; ( 4) 氢化物的生成热小; (5) 质量轻、成本低; (6)化学稳定性好, 对O2、H2O等杂物呈惰性; (7) 使用寿命长。

1.3 常用储氢合金

1.3.1 稀土系储氢合金

稀土储氢合金, 它的优点是活化容易、分解氢压适中、吸放氢平衡压差小、动力学性能优良、不易中毒。

1.3.2 镁系储氢合金

镁基合金中比较有代表性的是镁镍系和镁-铝系, 镁和镍的合金体系中, 可以形成两种比较稳定的金属间化合物Mg2Ni和MgNi2。镁-铝系合金有Mg3Al12(γ)、Mg17Al12(γ)、Mg2A l3(β)等类型, 研究重点则是镁和铝的不同组成以及添加第三种元素对其储氢性能的影响。

1.3.3 镁基储氢材料的主要制备方法

1）熔炼法是制备镁基储氢材料的一种传统方法,Reilly等首先以镁和镍混合熔炼成Mg2Ni 合金。

2）扩散法：用还原扩散法和共沉淀还原法可以制取镁基储氢材料, 但是由于镁是活泼金属, 用这两种方法制备镁基储氢材料有很大的困难。而常采用置换扩散法和球磨扩散法。3）机械合金化是一种制备细粉粒的固态反应方法, 在材料的制备过程中, 不同的元素组份在球磨机内磨球的碰撞挤压下, 发生强烈的塑性变形, 不同的元素组份冷焊在一起, 随后发生断裂、冷焊、断裂的不断重复进行, 使得粉粒总是在最短的尺度上以新鲜的原子面互相接触, 最终实现在熔炼状态下才能达到的合金化的目的。

2 碳基和有机物储氢材料

2.1 碳基储氢材料

2.1.1 活性炭储氢

活性炭贮氢主要用于低压吸附贮氢, 如作为汽车燃料的贮存。由于该技术具有压力

低、贮存容器自重轻、形状选择余地大、成本低等优点, 已引起广泛关注。但美国能源部( DOE) 要求, 对燃料电池电动汽车, 其体积储氢密度必须达到63kg/ m3, 质量分数6150%。

2.1.2 碳纤维储氢材料

碳纳米纤维表面具有分子级细约10nm的中空管, 比表面积大,而且可以合成石墨层面垂直于纤维轴向或与轴向成一定角度的鱼骨状特殊结构的纳米碳纤维, 大量氢气可以在纳米碳纤维中凝聚, 从而可能具有超级贮氢能力。

2.1.3 碳纳米管储氢材料

碳纳米管分为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管以及由单壁纳米碳管束形成的复合尽管人们对碳纳米管储氢的研究已取得了一些进展, 但至今仍不能完全了解纳米孔中发生的特殊物理化学变化过程, 也无法准确测得纳米管的密度,今后还应在储氢机理、复合掺杂改性和显微结构控制等方面进行深入研究。

2.2 有机物储氢材料

2.2.1 有机液体储氢

有机液体氢化物储氢是借助不饱和液体有机物与氢的一对可逆反应, 即加氢反应和脱氢反应实现的。加氢反应实现氢的储存(化学键合) , 脱氢反应实现氢的释放。不饱和有机液体化合物做储氢剂,可循环使用。

2.2.2 金属有机物储氢

金属有机物储氢是最近几年发现的一类很有前景的储氢材料。金属有机多孔骨架化合物, 又称为金属有机配位聚合物,它是由金属离子和有机配体自组装而形成。这类金属有机多孔骨架化合物有各种各样的孔道类型, 最近, 一种新型的多孔金属有机结构( MOFs)已经吸引了人们的注意。在室温和较宽的压力范围内, 通过溢出可以使储氢量大大提高, 是一个前景很好的储氢材料。

3 络合物储氢材料

日本的科研人员首先开发了氢化硼钠(NaBH4)和氢化硼钾(KBH4) 等络合物储氢材料, 它们通过加水分解反应可产生比其自身含氢量还多的氢气。后来又有人研制了一种