发布时间 : 星期四 文章储氢材料的研究与发展前景更新完毕开始阅读7319d086852458fb760b5690
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1.前言..............................................3 2.储氢材料..........................................4 2.1金属储氢材料...................................4 2.1.1镁基储氢材料.................................5 2.1.2钛基（Fe-Ti）储氢材料........................8 2.1.3稀土系合金储氢材料...........................9 2.1.4锆系合金储氢材料..............................10 2.1.5金属配位氢化物................................11 2.2碳质储氢材料.....................................11 2.3液态有机储氢材料 ................................12 3.储氢方式............................................14 3.1气态储存..........................................14 3.2液化储存..........................................14 3.3固态储存..........................................15 4.氢能前景.............................................15 参考文献.............................................17
储氢材料的研究与发展前景
摘要：氢能作为一种新型的能量密度高的绿色能源, 正引起世界各国的重
视。储存技术是氢能利用的关键。储氢材料是当今研究的重点课题之一, 也是氢的储存和输送过程中的重要载体。本文综述了目前已采用或正在研究的储氢材料, 如镁基储氢材料钛碳基储氢材料、稀土储氢材料、碳质储氢等材料的研究进展、发展前景和方向。
关键字：储氢材料，储氢性能，储氢方式，发展前景
1.前言
当今世界, 化石燃料储量正在迅速减少, 现存储量不能满足日益增长的需求。目前世界能源的80%来源于化石燃料, 但化石燃料的使用产生了大量有害物质, 对环境造成巨大影响。因此, 加速能源系统向可再生能源转换以适应当前和未来世界能源需求, 是迫切需要解决问题。
氢原料来源广泛、无污染且能量转换效率高，是解决未来清洁能源需求问题的首选新能源之一。氢是宇宙中含量最丰富的元素之一。氢气燃烧后只产生水和热，是一种理想的清洁能源。氢能利用技术，如氢燃料电池和氢内燃机，可以提供稳定、高效、无污染的动力，在电动汽车等领域有着广泛的应用前景。由于氢能技术在解决人类面临的能源与环境两大方面的重大作用，国内外对氢能技术都有大量资金投入，以加快氢能技术的研发和应用。
氢能作为一种储量丰富、来源广泛、能量密度高的绿色能源及能源载体，正引起人们的广泛关注。氢能的开发和利用受到美、日、德、中、加等国家的高度重视，以期在21世纪中叶进入氢能经济(hydrogeneconomy)时代。氢能的利用需要解决三个问题:氢的制取、储运和应用，而氢能的储运则是氢能利用的瓶颈。氢在正常情况下以气态形式存在、密度最小、且易燃、易爆、易扩散，这给储存和运输带来很大困难。当氢作为一种燃料时,必须具有分散性和间歇性使用的特点,因此必须解决储存和运输问题。储氢和输氢技术要求能量密度大(包含质量储氢密度和体积储氢密度)、能耗少、安全性高。当氢作为车载燃料使用(如燃料电池动力汽车)时,应符合车载状况的要求。对于车用氢气存储系统,国际能源署(IEA)
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提出的目标是质量储氢密度大于5wt%,体积储氢密度大于50kgH2/m3,并且放氢温度低于423K,循环寿命超过1000次;而美国能源部(DOE)提出的目标是到2010年质量储氢密度不低于6wt%,体积储氢密度大于45kgH2/m3;到2015年上述指标分别达9wt%和81kgH2/m3;到2010年车用储氢系统的实际储氢能力大于3.1kg(相当于小汽车行使500km所需的燃料)。储氢材料的研究始于上世纪60年代末,由美国Brookhaven国家实验室和荷兰Philips公司分别报道发现Mg2Ni和LaNi5可吸收大量的氢,并伴随产生很大的热 效应,这种特性使之有可能应用于储氢、热泵、氢分离等技术领域,引起了学术界和工业界的广泛兴趣,并很快在上述领域得到成功应用。
储氢材料的研究始于上世纪60年代末,由美国Brookhaven国家实验室和荷兰Philips公司分别报道发现Mg2Ni和LaNi5可吸收大量的氢,并伴随产生很大的热 效应,这种特性使之有可能应用于储氢、热泵、氢分离等技术领域,引起了学术界和工业界的广泛兴趣,并很快在上述领域得到成功应用。尤其是上世纪80年代,储氢合金在镍-金属氢化物(Ni-MH)可充电池技术上的成功应用,在全球范围掀起了储氢材料的研究热潮。我国政府也及时对这一领域给予大力支持,通过20余年的共同努力,我国的储氢电极材料及其相关产业得到快速发展。2007年我国储氢电极材料年产量近万吨,位居世界前列。[1]
2.储氢材料
2.1金属储氢材料
基于氢化物的固态储氢技术由于其独有的安全性和高能量密度,被认为是最有希望的一种储氢方式。20世纪60年代末美国Brookhaven国家实验室和荷兰Philips公司分别发现Mg2Ni和LaNi5具有良好的储氢特性,引起了人们的广泛关注,并迅速应用到氢储存、净化、分离、压缩、热泵和金属氢化物镍(Ni/MH)二次电池。特别是进入20世纪90年代,随着氢燃料电池汽车的发展,为实现燃氢汽车与燃油汽车相近的性能指标,对高容量储氢材料的需求与日俱增。传统的间隙式金属氢化物的储氢量一般小于3wt%,不能满足车载氢源系统的要求。为达到可逆储氢量5.0wt%~5.5wt%的目标,人们将研究重点主要集中在了由轻元素组成的氢化物材料上。尤其是1997年,德国马普研究所的Bogdanovic和Schwichardi
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发现添加Ti基催化剂的NaAlH4可以在100~200℃范围内实现可逆地吸放氢。储氢量可达5.6wt%,激起了国际上对轻金属配位氢化物的研究热潮。目前,开发中的高容量储氢材料主要包括:金属铝氢化物、金属硼氢化物、金属氮氢化物和氨基硼烷化合物等,这些材料的储氢量在5.8wt%~19.6wt%之间,是最有希望满足美国DOE对轻型汽车用车载储氢系统最新要求的储氢介质。[2]
2.1.1镁基储氢材料
最早开始研究镁基储氢材料的是美国布鲁克 -海 文国家实验室, Reily和 Wiswal[1] 在 1968年首先以镁 和镍混合熔炼而成 Mg2Ni合金 .后来随着机械合金化制 备方法的出现, 揭开了大规模研究镁基储氢材料的序 幕.据不完全统计,到目前为止人们研究了近 1 000多种 重要的镁基储氢材料,几乎包括了元素周期表中所有稳 定金属元素和一些放射性元素与镁组成的储氢材料.通 过研究,发现这些镁基储氢材料可以分为单质镁储氢材料、镁基储氢合金和镁基储氢复合材料三大类.[3] （1）单质镁储氢材料
镁可直接与氢反应,在 300 ～ 400 ℃和较高的氢压 下 ,反应生成 MgH2 : Mg+H2 =MgH2, △H =-74.6 kJ/mol.
MgH2 理论氢含量可达 7.6%, 具有金红石结构, 性能较稳定 ,在 287 ℃时的分解压为 101.3 kPa.因为 纯镁的吸放氢反应动力学性能差,吸放氢温度高,所以 纯镁很少被用来储存氢气.随着材料合成手段的不断 发展,特别是机械合金化制备工艺的日益成熟 ,研究人 员对单质镁储氢材料进行了新的研究 . (2) 镁基储氢合金
到目前为止 ,人们已对 300多种重要的镁基储氢 合金材料进行了研究 .其中最具有代表性的是 Mg-Ni 系储氢合金 ,许多研究者围绕这一系列合金开展了大 量的研究工作.在制备方法上 , 主要研究了熔炼法、粉 末烧结法、扩散法、机械合金化法和氢化燃烧合成法 等 ,并且对镁基储氢合金采用表面处理和热处理来进 一步提高其动力学性能和循环寿命.
1）Mg-Ni系储氢合金:
在 Mg与 Ni形成的合金体系中存在 2种金属间化 合物 Mg2Ni和 MgNi2,其中
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