储氢材料和形状记忆合金PPT课件
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一、绪言
氢－二十一世纪的绿色能源
•11/22/2020
•1
1.1能源危机与环境问题 1. 基本特性
▪ 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！！！
Des.
▪ 反应可逆 M + x/2H2 Abs. MHx + ∆H ▪ 氢以原子形式储存，固态储氢，安全可靠 ▪ 较高的储氢体积密度
•11/22/2020
•10
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
•11/22/2020
•11
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： ➢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
•11/22/2020
•15
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
▪ 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)
•11/22/2020
•16
金属配位氢化物的的主要性能
Guangdong Ocean University
•11/22/2020
•3
1. 基本特性
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
▪ 人类的出路何在？－新能源研究势在必行！！！
Guangdong Ocean University
1.2 氢能开发，大势所趋1. 基本特性
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
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％。
•11/22/2020
•22
四、结束语－氢能离我们还有多远？
氢能作为最清洁的可再生能源，近10多年来发达国家高度重 视，中国近年来也投入巨资进行相关技术开发研究
氢能汽车在发达国家已示范运行，中国也正在筹划引进
•11/22/2020
•6
2.1 体积比较
1. 基本特性
Guangdong Ocean University
•11/22/2020
•7
2.2 氢含量比较
0
LaNi H 56
TiFeH 1.9
Mg NiH
2
4
Carbon nanotube (RT,10MPa 氢压)
0
Hydrogen storage capacity (wt%)
•11/22/2020
•20
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％
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 ％
•11/22/2020
•21
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％ 。
Guangdong Ocean University
•11/22/2020
•4
二、不同储氢方式的比较
气态储氢： 液化储氢：
1) 能量密度低 2) 不太安全
1) 能耗高 2) 对储罐绝热性能要求高
•11/22/2020
•5
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
℃
•11/22/2020
•17
3.3碳纳米管（CNTs）
1991年日本NEC公司Iijima教授发现CNTs
•11/22/2020
•18
纳米碳管储氢-美学者Dillon1997首开先河
单壁纳米碳管束TEM照片
多壁纳米碳管TEM照片
•11/22/2020
•19
纳米碳管吸附储氢：
Hydrogen storage capacities of CNTs and LaNi5 for comparison (data deternined by IMR，RT，10MPa)
氢能汽车商业化的障碍是成本高，高在氢气的储存
液氢和高压气氢不是商业化氢能汽车－安全性和成本
•11/22/源自文库020
•12
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
•11/22/2020
•13
镁系
典型代表：Mg2Ni，美Brookhaven国家实验室首 先报道
储氢容量高
资源丰富
jjkkl
价格低廉
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
•11/22/2020
•14
钛/锆系
▪ 具有Laves相结构的金属间化合物 ▪ 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
1
2
3
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5
1.4wt%
per weight
1.8wt%
3.6wt%
4.2wt%
1
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5
Hydrogen storage capacity (wt%)
•11/22/2020
•8
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
•11/22/2020
•9
金属氢化物储氢特点
氢－二十一世纪的绿色能源
•11/22/2020
•1
1.1能源危机与环境问题 1. 基本特性
▪ 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！！！
Des.
▪ 反应可逆 M + x/2H2 Abs. MHx + ∆H ▪ 氢以原子形式储存，固态储氢，安全可靠 ▪ 较高的储氢体积密度
•11/22/2020
•10
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： ➢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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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
▪ 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)
•11/22/2020
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金属配位氢化物的的主要性能
Guangdong Ocean University
•11/22/2020
•3
1. 基本特性
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
▪ 人类的出路何在？－新能源研究势在必行！！！
Guangdong Ocean University
1.2 氢能开发，大势所趋1. 基本特性
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
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％。
•11/22/2020
•22
四、结束语－氢能离我们还有多远？
氢能作为最清洁的可再生能源，近10多年来发达国家高度重 视，中国近年来也投入巨资进行相关技术开发研究
氢能汽车在发达国家已示范运行，中国也正在筹划引进
•11/22/2020
•6
2.1 体积比较
1. 基本特性
Guangdong Ocean University
•11/22/2020
•7
2.2 氢含量比较
0
LaNi H 56
TiFeH 1.9
Mg NiH
2
4
Carbon nanotube (RT,10MPa 氢压)
0
Hydrogen storage capacity (wt%)
•11/22/2020
•20
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％
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 ％
•11/22/2020
•21
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％ 。
Guangdong Ocean University
•11/22/2020
•4
二、不同储氢方式的比较
气态储氢： 液化储氢：
1) 能量密度低 2) 不太安全
1) 能耗高 2) 对储罐绝热性能要求高
•11/22/2020
•5
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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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
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 deternined by IMR，RT，10MPa)
氢能汽车商业化的障碍是成本高，高在氢气的储存
液氢和高压气氢不是商业化氢能汽车－安全性和成本
•11/22/源自文库020
•12
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
•11/22/2020
•13
镁系
典型代表：Mg2Ni，美Brookhaven国家实验室首 先报道
储氢容量高
资源丰富
jjkkl
价格低廉
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 ▪ 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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Hydrogen storage capacity (wt%)
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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