《新材料概论》 论文

硕士研究生课程作业课程名称：新材料概论

题目：储氢材料的研究与进展

学院：材料科学与工程学院

专业（方向）：材料科学与工程

学号： 102013104 学生：梁启超

完成时间： 2013年12月24日

储氢材料的研究与进展

摘要：氢能是一种具有可再生性和良好环保效应的能源，可提供稳定无污染的动力。面对日益严峻的能源及环境危机，氢能的诸多优点使其成为公认的未来替代能源，而氢的储存方式是发展储氢材料的重点之一。本文综述了近年来储氢材料的研究现状，并对储氢材料的发展趋势提出了自己的见解.

关键词：氢能储氢材料研究现状发展趋势

1.引言

面对传统资源的枯竭和人口的爆炸式增长，为了减少对环境的破坏以实现可持续发展，寻找新型的清洁能源替代传统化石类能源已成为科学研究的热点趋势。在目前的能源材料领域，储氢材料以独有的优点逐渐得到人们的关注。氢作为洁净能源有以下优点【1】：(1) 氢的燃烧产物是水，对环境不产生任何污染；（2）氢可以通过太阳能和风能分解再生；（3）燃烧1g氢放出的热量是等量汽油的3倍左右；

(4) 氢资源丰富，可通过水，碳氢化合物等电解或分解产生。由氢能以上诸多优点可见，它是一种具有高能量密度的绿色能源。

在氢能的利用过程中涉及到制备、储存和运输能技术问题，而氢的储存是其中的难题和技术关键。目前储氢技术主要分为两大类，即物理法和化学法。前者主要包括液化储氢、压缩储氢、碳质材料吸附、玻璃微球储氢等；后者主要包括金属氢化物储氢、无机物储氢、有机液态氢化物储氢等【2】。但物理储氢技术如液化储氢和压缩储氢，对条件要求极为苛刻，且在实际生产生活中存在安全隐患，目前只应用

于航天等高技术领域，无法满足工业化的需求。而使用性能稳定的储氢材料可以较好的解决这些问题。就目前储氢材料领域的发展，可以将储氢材料分为三大类：金属合金储氢材料、多孔吸附储氢材料、有机液态及络合物储氢材料。

2.各类储氢材料的研究进展

2.1金属合金储氢材料

金属合金储氢材料是目前研究较多的储氢材料之一，它通常是指合金氢化物材料，尤其是轻金属合金氢化物，其储氢密度高，与液氢相同甚至超过液氢。近年来对于储氢合金的研究有许多有意义的成果。2.1.1 镁基储氢材料

镁可以与氢直接反应，在300℃-400℃和较高的压力下反应生成氢化镁，其理论氢含量可达7.6%，具有金红石结构，性能较为稳定【3】。镁基储氢材料可分为单质镁储氢材料、镁基复合储氢材料和镁基合金储氢材料三类，到目前为止已有1000多种镁基储氢材料被报道【4】。在多种镁系储氢合金的研究领域研究最多的为Mg-Ni系储氢合金，制备方法主要有熔炼法、粉末烧结法、扩散法等。

2.1.2 钛系储氢材料

钛系储氢合金的代表是TiFe系合金，理论储氢密度为1.86%，具有CsCl型结构【5】。钛系合金具有资源丰富，成本低廉的特点。但是缺点是不易活化，易受到水的干扰，且滞后现象严重。另外，钛系合金材料因为易形成TiO2致密层而导致活化困难，目前应用受到严重限制。

2.2 多孔吸附储氢材料

2.2.1 超级活性炭吸附储氢

超级活性炭储氢始于20世纪70年代末，是在中低温（77-273k)、中高压(1-10MPa)下利用超高比表面积的活性炭作吸附剂的吸附储氢技术。超级活性炭吸附技术具有经济、吸附量大、储氢量高、循环寿命长和易实现规模化生产等优点，具有很好的应用前景。

2.2.2 碳纳米管吸附储氢

碳纳米管主要是由空管状的石墨烯构成，可以分为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管及由单壁碳纳米管束形成的复合管。氢在碳纳米管中的吸附机理分为物理吸附和化学吸附。有研究表明【6】，纯碳纳米管在常温下能储存5%-10%(质量分数）的氢气，而且进一步的研究表明采用高温氧化的方法处理碳纳米管可以有效提升吸附效率。尽管目前对于碳纳米管储氢性能的研究已取得一些进展，但对于精确测量碳纳米管的密度，控制掺杂改性研究及储氢机理研究等方面还有许多亟需完善的工作。

2.2.3 矿物多孔储氢材料

矿物多孔储氢材料的储氢机理与其他多孔储氢材料类似，是利用某些具有结构性孔道的天然矿物，如沸石，海泡石等，对材料表面的氢分子进行静电吸附作用来完成吸附储氢。但是由于矿物的纤维结构难以控制等原因，此类材料的储氢能力有限，目前的研究成果不太理想。

2.3 有机液态储氢材料及络合物储氢材料

有机液态储氢设想是在上个世纪70年代提出的，其液体氢化物储氢

剂主要有苯和甲苯两种，储氢原理为：氢气通过与苯或甲苯反应寄存于环己烷或甲基环己烷载体中，该载体通过催化脱氢又可释放被寄存的氢【7】。研究发现，除了环己烷外，其他一些有机碳化物也可大量可逆吸、放氢，并且可逆成度高。利用有机液态储氢物质储氢，具有体积储氢密度高，性能稳定和便于运输等特点，目前一些发达国家已对其进行深入研究，并运用于汽车燃料领域。但是此类材料的循环利用率比较低，尤其是低温释氢效率很低，无形中提高了生产成本，若希望应用于工业生产中，还需对其进行深入研究。

络合物储氢材料最早被研究的就是氢化硼钠和氢化硼钾等络合物，其基本原理是通过加水分解反应可产生比其自身含氢量还多的氢气。Bogdanovic等发现【8】在NaAlH4掺入少量Ti4+、Fe3+等离子，能将其分解温度减低100℃左右，其加氢反应能在低于材料熔点条件下进行，这使得氢化铝络合物越来越受到关注。它在加热分解后可放出质量分数达7.4%的氢。氢化铝和氢化硼络合物作为储氢材料有很好的应用前景，在催化剂和回收利用方面还需进一步研究。

3.总结与展望

目前世界各国都面临严峻的能源和环境危机，开发绿色高效的新能源是一种不可逆转的趋势，而储氢材料的诞生和发展正是解决这一危机的有效途径之一。但目前储氢材料的研究多处于试验探索阶段，多注重研发而较少关注产业化和规模化领域，以上所列举的储氢材料都各具特点，也各有交叉点。今后的发展方向应多关注将多种储氢材料的特性集于一身的复合储氢材料，从产氢效率、环保、生产成本及社会