储氢材料综述

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三、储氢材料技术现状
➢ 3.1 金属氢化物 ➢ 3.2 配位氢化物 ➢ 3.3 纳米材料
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金属氢化物储氢特点
➢ 反应可逆
➢ ➢
氢 较以 高原 的子 储形 氢式体M储积+存密x，度/2H固2态AD储bess..氢M，H安x +全∆可H靠
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Position for H occupied at HSM
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一、绪言
氢－二十一世纪 的绿色能源
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1.1能源危机与环境问题
➢ 化石能源的有限性与人类需求的无限性－石油、 煤炭等主要能源将在未来数十年至数百年内枯竭！！！（科技
日报，2004年2月25日，第二版）
➢ 化石能源的使用正在给地球造成巨大的生态灾 难－温室效应、酸雨等严重威胁地球动植物的生存！！！
气态储氢：
1) 能量密度低 2) 不太安全
液化储氢：
1) 能耗高 2) 对储罐绝热性能要求高
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二、不同储氢方式的比较
固态储氢的优势：
1) 体积储氢容量高 2) 无需高压及隔热容器 3) 安全性好，无爆炸危险 4) 可得到高纯氢，提高氢的附加值
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2.1 体积比较
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TiFe alloy
Characteristics:
❖ two hydride phases;
❖ phase (TiFeH1.04) & phase (TiFeH1.95 ) ❖ 2.13TiFeH0.10 + 1/2H2 → 2.13TiFeH1.04 ❖ 2.20TiFeH1.04 + 1/2H2 → 2.20TiFeH1.95
➢ 原子间隙由四面体构成，间隙多，有利于氢原 子的吸附
➢ TiMn1.5H2.5 日本松下（1.8％） ➢ Ti0.90Zr0.1Mn1.4V0.2Cr0.4 ➢ 活性好
➢ 用于：氢汽车储氢、电池负极Ovinic
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3.2配位氢化物储氢
➢ 碱金属（Li、Na、K）或碱土金属（Mg、Ca） 与第三主族元素(B、Al)形成
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钛铁系
典型代表：TiFe，美Brookhaven国家实验室首 先发明
➢ 价格低 ➢ 室温下可逆储放氢 ➢ 易被氧化 ➢ 活化困难 ➢ 抗杂质气体中毒能力差
实际使用时需对合金进行表面改性处 理
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PCT curves of TiFe alloy
TiFe(40 ℃)
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➢ 人类的出路何在？－新能源研究势在必行！！！
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1.2 氢能开发，大势所趋
氢是自然界中最普遍的元素，资源无 穷无尽－不存在枯竭问题
氢的热值高，燃烧产物是水－零排放，无污染 ，
可循环利用
氢能的利用途径多－燃烧放热或电化学发电 氢的储运方式多－气体、液体、固体或化合物
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Hydrogen on Tetrahedral Sites
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Hydrogen on Octahedral Sites
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3.1 金属氢化物储氢
目前研制成功的： ➢ 稀土镧镍系 ➢ 钛铁系 ➢ 镁系 ➢ 钛/锆系
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稀土镧镍系储氢合金
❖ 典型代表：LaNi5 ,荷兰Philips实验室首先研制 ❖ 特点：
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2.2 氢含量比较
0
LaNi H 56
TiFeH 1.9
Hydrogen storage capacity (wt%)
1
2
3
4
5
1.4wt%
per weight
1.8wt%
Mg NiH
2
4
3.6wt%
Carbon nanotube (RT,10MPa 氢压)
4.2wt%
0
1
2
3
4
5
储Hy氢d材ro料g综e述n storage capacity (wt%)
➢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
❖ 经元素部分取代后的
MmNi3.55Co0.75Mn0.47Al0.3(Mm混合稀土，主要成分 La、Ce、Pr、Nd)广泛用于镍/氢电池
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PCT curves of LaNi5 alloy
2. 单壁纳米碳管最大放电容量为503mAh/g，相当于1.84％重量 储氢容量。经过100充放电后，其仍保持最大容量的80％。
➢ 储氢容量高 ➢ 再氢化难(LiAlH4在TiCl3、 TiCl4等催化下180℃ ，
8MPa氢压下获得5％的可逆储放氢容量)
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金属配位氢化物的的主要性能
℃
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3.3碳纳米管（CNTs）
1991年日本NEC公司Iijima教授发现CNTs
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纳米碳管储氢-美学者Dillon1997首开先河
单壁纳米碳管束TEM照片
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多壁纳米碳管TEM照片
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纳米碳管吸附储氢：
Hydrogen storage capacities of CNTs and LaNi5 for comparison
(data d储et氢e材rn料in综e述d by IMR，RT，10MPa)
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纳米碳管电化学储氢
1.3 实现氢能经济的关键技术
➢ 廉价而又高效的制氢技术
➢ 安全高效的储氢技术－开发新型高效的储氢材料和安全
的储氢技术是当务之急
➢ 车用氢气存储系统目标：
IEA: 质量储氢容量>5%; 体积容量 >50kg(H2)/m3 DOE : >6.5%, > 62kg(H2)/m3
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二、不同储氢方式的比较
开口多壁M储o循氢S材2环料纳综述伏米安管曲及线其循环伏安分析
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纳米碳管电化学储氢
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多壁纳米碳管电极循环充放电曲 线，经过100充放电后 保持最大
容量的70％
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单壁纳米碳管循环充放电曲线，经过100充 放电后 保持最大容量的80％
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碳纳米管电化学储氢小结
1. 纯化处理后多壁纳米碳管最大放电容量为 1157mAh/g，相当 于4.1％重量储氢容量。经过100充放电后，其仍保持最大容 量的70％。
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镁系
典型代表：Mg2Ni，美Brookhaven国家实验室首 先报道
➢ 储氢容量高ห้องสมุดไป่ตู้
➢ 资源丰富
➢ 价格低廉
jjkkl
➢放氢温度高（250－300℃ ）
➢ 放氢动力学性能较差
改进方法：机械合金化－加TiFe和CaCu5球磨，或复合
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钛/锆系
➢ 具有Laves相结构的金属间化合物