储氢材料的发展与应用

一.氢能源产生的背景、概念及发展现状
1.2氢能源的概念以及发展现状
氢能是一种二次能源，它是通过一定的方法利用其他能源制取的，而 不像煤、石油、天然气可以直接开采，今下几乎完全依靠化石燃料制 取得到，如果能回收利用工程废氢，每年大约可以回收到大约1亿立方 米，这个数字相当可观。
氢能是公认的清洁能源，作为低碳和零碳能源正在脱颖而出。21世纪， 我国和美国、日本、加拿大、欧盟等都制定了氢能发展规划，并且目 前我国已在氢能领域取得了多方面的进展，在不久的将来有望成为氢 能技术和应用领先的国家之一，也被国际公认为最有可能率先实现氢 燃料电池和氢能汽车产业化的国家。
一.氢能源产生的背景、概念及发展现状
1.3实现氢能经济的关键技术 廉价又高效的制氢技术 安全高效的储氢技术—开发出新型、高效、安全
且环保的储氢技术是当务之急
二.不同储氢方式比较
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
（氢气的液化温度很低，达到了-253°C）
NmNi3.55Co0.75Mn0.74Al0.3（Mm混合稀土，主要成分 La、Ce、Pr、Nd）广泛用于镍/氢电池
三.储氢材料技术现状
3.1.4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
四.储氢合金的应用
(一)制取储运氢气的容器 用钢瓶储存氢气或液态氢的缺点颇多。而改用储氢合
金制作储存氢气的容器，重量轻、体积小、储气密度高、 不需要高压及储存液氢的极低温设备，能量损失很少， 安全可靠。 (二)制取高纯度氢气和回收氢
一般工业用氢气中含有不同比例的N2、O2、CO2等杂 质。利用储氢合金吸收氢的特性，再把氢气释放出来， 使得氢气的纯度高达99.999 9％以上。这个过程能量消耗 不多，但达到了高纯化的作用。其中TiMn1.5和稀土储氢 合金的效果最好，并且在仪器、电子、化工等行业上得 到了广泛的应用。
(四)核反应堆中的使用
氢的同位素氘在原子能工业中具有特殊的作用，可以制取重水 (D2O)，作为核反应堆里的慢化剂和冷却剂。而且还是受控核聚变时 的聚变原料。
三.储氢材料技术现状
3.1.2金属氢化物储氢条件
理想的，有使用价值的储氢合金，必须具备如下的条件： （1）吸氢能力高，即能吸尽量多的氢； （2）储氢时生成热应尽量小，便于释氢时的温度不必太 高。而作 为储存热量使用时，则生成热应该越高越好； （3）储氢和释氢的速度都要求快； （4）对氧气、一氧化碳和水等杂质的抵抗力要大； （5）化学稳定性好，经久耐用，不易产生破碎粉化； （6）使用与运输时安全、可靠； （7）来源广，价廉物美。
二.不同储氢方式比较
固态储氢的优势主要有以下四点：
（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
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
三.储氢材料技术现状
3.1金属氢化物储氢
3.1.1金属氢化物储氢特点
三.储氢材料技术现状
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)
三.储氢材料技术现状
3.3碳纳米管
1991年日本NEC公司饭岛（Iijima）教授发现 CNTs
三.储氢材料技术现状
目前研究出来的金属氢化物储氢体系有： 稀土镧镍系 钛铁系 镁系 钛/锆系
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三.储氢材料技术现状
3.1.3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
四.储氢合金的应用
(三)氢能交通工具
用储氧合金来制作飞机和汽车氢燃料发动机，虽然处于研究、 试验阶段。但前景看好。氢能交通工具具有高的热效率，对环境无 污染的优点。氢气是价廉又安全方便的二次能量。国外对氢燃料汽 车进行了试验，用200kg的TiFe合金储氢，共行驶了130km。目前存 在的最大困难是储氧材料重量要比油箱重量大得多，影响车辆的速 度。
三.储氢材料技术现状
3.1.5镁系
镁系合金是最早研究和被使用的储氢合金。
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 价格低廉 放氢温度高（250－300℃ ） 反应速度慢
改进方法：机械合金化－加TiFe和CaCu5球磨，或复合
三.储氢材料技术现状
3.1.6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
三.储氢材料技术现状
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
三.储氢材料技术现状
纳米碳管电化学储氢：
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％
储氢材料的发展与应用
一.氢能源产生的背景、概念及发展现状
1.1氢能源产生的背景
化石能源的有限性与人类需求的无限性—石油、 煤炭等主要资源将在未来数十年或者数百年内枯 竭！！！
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、酸雨等严重威胁动植物的生存！！！
如何寻找一种清洁环保、无污染并且可以再生的 资源来代替现有的资源？
M
1 2
xH 2
MHx
H
该反应是一个可逆过程、正向反应时，金属吸氢，并放出 热量；逆向反应时，金属氢化物释氢，吸收热量。这样， 只需要改变温度与压力，就能使反应正向或逆向反复进行。 达到金属（合金）储氢或者释氢的能力。当然，不是所有 的金属都具有上述的功能，所以发现合适的金属或者合金 是获得储氢材料的关键问题了。