材料与人类文明论文

材料与人类文明论文

——浅析储氢材料的应用及发展前景

金融33班

张博

2131804079

[摘要]

20世纪70年代以后，人们逐渐意识到传统化石能源带来的种种弊端，开始寻求更为清洁高效的新能源。氢能，因其原料来源广、高能量和无污染的特性而受到科学家广泛关注。然而氢能的储备与运输却是一个致命的难题。伴随着对氢能源的研究和开发，我们首先要解决的就是氢气的安全贮存和运输问题。储氢材料，正是科学家攻克这一难题的希望之光。

[关键词]

新能源、氢能、储氢材料、设计思路、特异性能、影响因素、未来趋势

[正文]

自从十八世纪英国第一次工业革命开始，化石能源的使用给人类社会带来了巨大的影响。在科学技术与生活水平进步的同时，也给我们带来了种种不利影响：环境恶化、全球变暖、灾害不断、气候异常。然而时至今日，化石能源已濒临枯竭，人类正陷入能源危机之中。能源是人类生存发展的重要物质基础，因此人类要想生存发展就必须要寻找新的能源，而且是相比较石油煤炭更为清洁高效的能源。

1980年召开的“联合国新能源和可再生能源会议”对新能源给出如下定义：以新技术和新材料为基础，使传统的可再生能源得到现代化的开发和利用，用取之不尽、周而复始的可再生能源取代资源有限、对环境有污染的化石能源，重点开发太阳能、风能、生物质能、潮汐能、地热能、氢能和核能。其中氢能因其原料来源广、热值高、应用范围广和产物无污染的优良特性成为了新时代最理想的能源。

氢在地球上主要以化合态的形式出现，是宇宙中分布最广泛的物质，它构成了宇宙质量的75%，因为氢是一种二次能源，它的制取不但需要消耗大量的能量，目前工业上生产氢的方式很多，常见的有水电解制氢、重油及天然气水蒸气催化转化制氢、煤炭气化制氢等。不过，目前制氢科技效率很低，因此寻求大规模的廉价的制氢技术是各国科学家共同关心的问题。

另外，氢能利用关键是高密度安全储存和运输技术。传统储氢方法有两种，一种方法是利用高压钢瓶来储存氢气，但是钢瓶储存氢气的容积小，瓶里的氢气即使加压到150个大气压，所装氢气的质量也不到氢气瓶质量的1％，而且还有爆炸的危险；另一种方法是储存液态氢，将气态氢降温到－253 0C变为液体进行储存，但液体储存箱非常庞大，需要极好的绝热装置来隔热，才能防止液态氢不会沸腾汽化。用这两种方法储氢都有些得不偿失，因此科学家不得不寻求另外的尝试。

科学家想到，氢原子是自然界中最小的原子，是否可以存储在相对较大的金属原子间隙

之中呢？科学家对此进行了相应的研究研究结果证明，某些金属具有很强的捕捉氢的能力，在一定的温度和压力条件下可以大量“吸收”氢气生成金属氢化物，同时放出热量。之后，将金属氢化物加热，它们又会分解，将储存在其中的氢释放出来。这些会“吸收”氢气的金属，称为储氢合金。

储氢合金的储氢能力很强。单位体积储氢的密度，是相同温度、压力条件下气态氢的1000倍，也即相当于储存了1000个大气压的高压氢气。此外，由于储氢合金都是固体，所以不需要苛刻的储存钢材和温度条件，储氢时令合金与氢反应生成金属氢化物并放出热量，需要释放氢时则通过加热或减压的方式使储存于合金中的氢释放出来，因此储氢合金将会是一种极其简便易行的理想储氢方法。

目前储氢材料有金属氢化物、碳纤维碳纳米管、非碳纳米管、玻璃储氢微球、络合物储氢材料以及有机液体氢化物。下面仅就合金、有机液体以及纳米储氢材料三个方面对储氢材料加以介绍。

一、合金储氢材料

研究发展中的储氢合金，主要有钛系储氢合金、锆系储氢合金、铁系储氢合金及稀土系储氢合金。其中稀土镧镍系储氢合金的特点是活化容易、平衡压力适中且平坦，吸放氢平衡压差小、抗杂质气体中毒性能好、适合室温操作。钛铁系合金材料价格低、室温下可逆储放氢但是它易被氧化，且活化困难、抗杂质气体中毒能力差，因此实际使用时需对合金进行表面改性处理……

然而大多数储氢合金相当笨重，而且其使用寿命本身也是个问题。

二、液态有机物储氢材料

有机液体氢化物贮氢是指借助不饱和液体有机物与氢的一对可逆反应来实现对氢气的储存与释放的。机液体氢化物贮氢作为一种新型贮氢材料, 其贮氢特点是: 有机液的贮存、运输安全方便, 可利用现有的贮存和运输设备,有利于长距离大量运输，贮氢量大,比现有的金属贮氢量高得多，贮氢剂成本低且可多次循环使用。目前存在的主要问题是有机物氢载体的脱氢温度偏高, 实际释氢效率偏低。因此, 开发低温高效的有机物氢载体脱氢催化剂、采用膜催化脱氢技术对提高过程效能有重要意义。

三、纳米储氢材料

储氢合金纳米化提高储氢特性主要表现在以下几个方面原因。（1）对于纳米尺寸的金属颗粒，连续的能带分裂为分立的能级，并且能级间的平均间距增大，使得氢原子容易获得解离所需的能量，表现为贮氢合金活化能降低和活化温度降低。（2）纳米颗粒具有巨大的比表面积，电子的输送将受到微粒表面的散射，颗粒之间的界面形成电子散射的高势垒，界面电荷的积累

产生界面极化，而元素的电负性差越大，合金的生成焓越负,合金氢化物越稳定。金属氢化物能够大量生成，单位体积吸纳的氢的质量明显大于宏观颗粒。（3）纳米贮氢合金比表面积大，表面能高，氢原子有效吸附面积显著增多，氢扩散阻力下降，有利于反应物在其表面吸附，有效降低了电极表面氢原子的吸附活化能,因而具有高的电催化性能。另外，由于纳米晶粒相当细小,导致晶界和晶格缺陷增加，而晶体缺陷和位错处的原子具有较高的能量可视为反应的活性中心,从而降低析氢过电位。（4）晶粒的细化使其硬度增加，贮氢合金的整体强度随晶粒尺寸的增加而增强，这对于抗酸碱及抗循环充放粉化，以及抵抗充放电形成的氧压对贮氢基体的冲击大有裨益，并且显著提高了贮氢合金耐腐蚀性。

不可否认，当今各种储氢材料的结构、性能、制备和应用等方面的研究均取得大量研究成果，商业化进程也正在迅速推进。但是到目前为止, 储氢合金材料和碳储氢材料的总体性能仍需提高, 其中包括进一步满足关于安全、高效、体积小、质量轻、成本低、密度高等需求，对不同储氢材料的储氢机理也有待进一步深入研究。总之,储氢材料只有满足原料来源广、成本低、制造工艺简单、比重小、氢含量高、可逆吸放氢速度快、效率高、可循环使用、寿命长等条件，才能在更大程度上符合实用要求。

当前储氢材料研究工作需要解决的关键问题主要有：1、开发高性能储氢复合材料，以增强综合性能；2、加强储氢机理研究，各种纳米管材料、金属有机物多孔材料等都具有非常强的储氢潜力，但关于其吸放氢机理一直没有达成共识；3、向轻元素如Li、B、C、N或混合轻元素方向发展，以期提高储氢密度；4、立足实用，发展储氢材料的大规模连续制备技术，降低储氢材料的成本；5、将氢气的储存/ 释放系统作为整体，发展实用的储氢系统，拓展储氢材料的应用范围，开发储氢材料的各种潜在功能。

我们期待氢能的使用可以改变未来社会！

[参考文献]

1、

2、张文毓镁基储氢材料研究进展技术与工艺2008年6月

3、黄明揩，李涛碳基储氢材料研究进展（A）武夷科学2006年12月