储氢材料综述

储氢材料研究现状与发展趋势

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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,如金属储氢(镁基储氢、Fe-Ti基储氢、金属配位氢化物、钒基固溶体型储氢)、碳基储氢、有机液体储氢等材料,比较了各种储氢材料的优缺点,并指出其发展趋势。

关键字：储氢材料，储氢性能，金属储氢，碳基储氢，有机液体储氢。

1.引言

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)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)。图1给出了目前所采用和正在研究的储氢材料的储氢能力对比。

图1储氢材料储氢能力对比

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。

储氢材料主要可分为物理吸附类材料、金属合金氢化物材料、复合化学氢化合物材料、液态有机储氢材料等。通过综述主要储氢材料的研究进展，归纳了上述各类材料的优缺点，并评价了其存在的主要问题。最后评价了未来最可能用于氢能规模利用的储氢方式，以期为储氢材料的未来发展重点的走向提供参考。

2.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(图2),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。

2.1.镁基储氢材料

在合金储氢材料中,镁基储氢合金是最有潜力的金属氢化物储氢材料,已引起包括中国在内的世界各国的关注,纷纷投入大量人力、物力和资金研发镁基储氢合金材料。

20世纪90年代以后,随着机械合金化手段的提高,对镁基储氢材料的研究取得了长足的发展。特别是近几年,对大量镁基储氢复合材料的研究非常活跃。根据复合材料的性质可把镁基储氢复合材料分为两类:化合物-镁基储氢材料的复合与单质-镁基储氢材料的复合。于振兴等在镁-镍粉中添加过渡金属氧化物和过渡金属氯化物所获得的复合材料,是一种非常典型的具有较好储氢性能的储氢复合材料。目前,在镁基储氢材料中添加单质元素较多的是Fe、V、Pd等,Zaluska等是研究单质合金元素的代表,研究的Mg2Pd复合材料有良好的充放氢动力学性能。Zaluska等用球磨法制成的Mg-Pd复合材料,其颗粒直径为50nm左右,100℃时就可以发生明显吸氢行为,最大吸氢量为6.3wt%,放氢温度在280℃左右。Liang等制备出MgH2-V,在200℃、1.0MPa氢压下,100s内吸氢量达5.5wt%。在0.015MPa压力下,放氢温度为300℃。Mg-Mg2Ni合金是由MgH2和Mg2NiH4在保护气体下球磨制得,在280℃、6min内放氢5.5wt%,240℃、10min内放氢4.8wt%,220℃、50min内放氢5.1wt%,其吸/放氢性能远优于Mg-20wt%Ni合金。

常见的化合物-镁基储氢复合材料有:Mg-LaNi5、Mg-TiFe、Mg-Mg2Ni。Liang 等报道,球磨法制备的Mg-30wt%LaNi5和MgH2-30wt%LaNi5纳米晶复合材料在300℃时吸/放氢量5wt%,放氢动力学性能明显改善。Wan等利用球磨法制备的Mg-50wt%ZrFe1.4Cr0.6纳米晶复合材料,在623K,2.0MPa氢压下,吸氢量达3.4wt%,且吸/放氢速度非常快。Zaluska等人采用球磨法制备的Mg与Mg2Ni复合材料,表现出优异的吸/放氢性能,在220℃,6min内放氢量达5.1wt%。Mandal等合成了Mg-Xwt%FeTi(Mn),当X=40时,此材料在1MPa下活化后,室温下吸氢量达3.5wt%,几乎是FeTi(Mn)的2倍。Iwakura等利用球磨法制备了Mg2N-i70wt%Ni,此复合材料在30℃,7MPa下,吸氢量为4.0wt%,且30℃时,放电容量达1082mAh/g。总之,该类储氢材料经机械球磨复合后表现出优异的充放氢性能。

综上所述,镁基储氢材料以吸氢量大,资源丰富,价格低廉,质量轻和无污染而被认为是最有发展前途的固态储氢材料,引起了研究者广泛关注,但镁基储氢材料存在工作温度高,吸/放氢动力学性能差等缺点,阻碍其应用。如何改善镁基储氢材料的缺点,探索Mg系新结构储氢合金(研磨法),以及储氢吸附/释放机理的研究,是尚待解决的主要问题。

2.2.Fe-Ti系

1969年,美国Brookhaven国立实验室首次合成具有CsCl结构的FeTi合金,其储氢量为1.8%。FeTi合金储氢能力好,甚至还略高于LaNi51,其作为储氢材料的优越性在于:①FeTi合金活化后,能可逆地吸放大量的氢,且氢化物的分解压强仅为几个大气压,很接近工业应用;②Fe,Ti元素在自然界中含量丰富,价格便宜,适合在工业中大规模应用。因此,FeTi合金一度被认为是一种很有应用前景的储氢材料,而深受人们关注。但是由于材料中有TiO

层形成,使得该材料极难活化,限制

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了其应用。20世纪70年代以来,人们就FeTi合金的活化机理以及如何改善其活化性能进行了大量的研究。改善FeTi合金活化性能最有效的途径是合金化和纳米化。

研究结果表明,用Mn,Cr,Zr,Ni等过渡族元素取代FeTi合金中的部分Fe就可以明显改善合金的活化性能,使合金在室温下经一段孕育期就能吸放氢。但同时要损失合金一部分

其他储氢性能,如储氢量减小,吸放氢平台斜率增大等。在不同的气氛下,采用机械合金化工艺掺杂

催化元素Pd,可极大改善材料的活化性能和吸放氢性能。在纯Ar气氛下,掺杂少量的Ni,球磨20～30h后制备的FeTi材料不需活化即可很容易地吸氢。这种动力学性能的显著改善主要是由于在这

种条件下生成了一部分被Ni颗粒包裹着的、细化了的FeTi合金粉末,其起到了催化活性中心的作用。此外,研究还表明用机械压缩和酸、碱等化学试剂表面处理也能改善FeTi合金的活化性能。

2.3.金属配位氢化物

另一类金属储氢材料是金属配位氢化物,它们是由碱金属(如:Li,Na,K)或碱土金属(如:Mg,Ca)

与第ⅢA元素(如:B,Al)或非金属元素形成,如:NaAlH4,Al与4个H形成的是共价键,与Na形成的是

离子键。含有铝元素的配位氢化物还有Sc(AlH6), Cr(AlH6)2, Co(AlH6)3, Ti(AlH4)4, Mg(AlH4)2, Fe(AlH4)2, Sn(AlH4)4等。目前已发现的配位氢化物中,常温下氢质量分数最高的为LiBH4(18%),这

种物质在280℃分解放出3个H,变为LiH和B,加入SiO2后可在100℃放出氢气2。此外,NaBH4的氢含量也比较高3,为10.7%。Li3N的理论最大吸氢量可达11.5%。1910年,Dafert和Miklauz最早报道了

Li3N和H2反应生成了Li3NH4。Hu和Ruckenstein等后来的研究表明,从Li3NH4再转化成Li3N,需要430℃的高温和长时间的加热工艺才能完成,此过程中发生了烧结,以至于大大降低了Li3N的转换4,。P.Chen等人发现了Li3N吸氢(170～210℃)后生成LiNH2,HLi 产物,可以在200℃放氢(6.3%)(真空下),剩余的3%氢气要在320℃以上才能放出5。LiNH2中部分Li用Mg代替(Mg(NH2)2+2LiNH2)可改善工作压力和温度(3MPa,200℃),这种氢含量为5%的材料非常有研究潜力。

最近,丹麦学者开发了一类新的金属氨络合物储氢材料,该类金属氨络合物材料可用M(NH3)nXm表示(M=Mg,Ca,Cr,Ni,Zn;X=Cl,SO4)。研究表明,该类材料如Mg(NH3)6Cl2可以以氨的形式存储9.1%的氢,Ca(NH3)8Cl2甚至可以达到9.7%,而且整个过程完全可逆,结合使用氨分解催化剂,可使氢在620K以下的温度完全释放,同时其副产物是N2,不会给环境造成污染。这是迄今为止报道的可逆存储氢量最大的材料6,7。

2.4.钒基固溶体型储氢合金

此类合金具有可逆储氢量大,氢在氢化物中的扩散速度快等优点,已在氢的储存、净化、压缩以及氢的同位素分离等领域较早地得到应用。在所研究的

V3TiNix(x=0~0.75)8合金中, V3TiNi0.56的放电容量可达420mAh/g,但存在循环容量衰减速度较快的问题。因此在新型储氢电极合金的研究方面,合金成分与结构的优化、合金的制备技术及表面改性技术将是进一步提高电极合金性能的主要研究方向。

3.碳质储氢材料

碳质储氢材料是指碳材、玻璃微球等吸附储氢的材料,如碳纳米管、石墨纳米纤维等,它们具有优良的吸、放氢性能,已引起了世界各国的广泛关注。美国能源部专门设立了研究碳材储氢的财政资助。我国也将高效储氢的纳米碳材研究列为重点研究项目。

1990年Kratschmer用石墨电极电弧放电首次宏观合成了碳数为60的C609, 1991年日本NEC的Lijima10用真空电弧蒸发石墨电极,对产物研究发现具有纳米尺寸的碳多层管状物-巴基管。此后在各国掀起了继C60后的又一次研究高潮。最近,中美合作发现一种可能的新储氢材料:C60+Ca11。杨身园等利用第一性原理计算研究了轻碱土金属覆盖的富勒烯的储氢性质。他们首先发现钙和锶在C60上吸附很强,可以均匀地覆盖在C60表面上,形成M32C60。它们之间的相互作用机制与金属未占据的d轨道有关。铍和镁没有可利用的d轨道,因此与C60的相互作用很弱;其次,钙、锶与C60间的电荷转移在表面附近产生一个强电场,能够极化氢分子,使得氢分子的吸附能力分别达到0.4eV/H2和0.2eV/H2,非常适于实际应

用;第三,在Ca32C60上可吸附至少92个氢分子,由于钙质量较氢,最后的储氢质量分数达到8.04wt%。综合以上3个因素,他们认为钙优于以前研究的所有覆盖在C60表面上的金属。

石墨纳米纤维也是近年来发展起来的一种储氢材料,吸氢量可达8wt%。目前这种材料的研究还处于初步实验阶段。石墨纳米纤维作为储氢材料的优点是在常温下可以吸/放氢气且吸氢量大;缺点是氢气在其表面的吸附作用弱,难以满足实

际应用的要求。

碳纳米材料是一种新型储氢材料,用它做氢动力、系统的储氢介质前景良好。其吸氢量可达5~10wt%。在过去10年间,碳基纳米材料是一种备受关注的潜在储氢材料。但是,氢分子在碳材料表面的物理吸附太弱,不满足常温常压的实际应用要求。为了提高氢分子在碳材料表面的吸附能,人们提出了多种方法修饰碳材料。例如,在表面覆盖3d过渡金属或碱金属、替代掺杂轻元素、带电等。尽管人们对碳纳米储氢材料的研究取得了一些进展,但仍未完全了解纳米孔中发生的特殊物理化学过程,也无法准确测得纳米管的密度,今后应在储氢机理、复合掺杂改性和显微结构控制等方面进行研究。

图2氮乙基咔唑的主要储氢性能

4.液态有机储氢材料

有机液体氢化物储氢技术是20世纪80年代国外开发的一种新型储氢技术,其原理是借助不饱和液体有机物与氢的一对可逆反应,即加氢反应和脱氢反应实现的。烯烃、炔烃和芳烃等不饱和有机物均可作为储氢材料,但从储氢过程的能耗、储氢量、储氢剂和物理性质等方面考虑,以芳烃特别是单环芳烃为佳。目前研究表明,只有苯、甲苯的脱氢过程可逆且储氢量大，是比较理想的有机储氢材料。有机物储氢的特点是:(1)储氢量大，苯和甲苯的

理论储氢量分别为7.19wt%和6.18wt%;(2)便于储存和运输;(3)可多次循环使用;(4)加氢反应放出大量热可供利用。Touzani和Klvana等12系统地研究了MCH的脱氢反应，并对偶联于氢内燃机上的脱氢反应进行了数值模拟。利用商品化的载Pt

蜂窝状催化剂研究了苯/环己烷的加氢和脱氢反应，在250-350℃和常压下，加氢效果最好。已经论证了用环己烷和甲基环己烷作氢载体的储氢和输氢的可行性。我国在有机液体氢化物储氢技术方面也有部分研究工作。1994年石油大学陈进富对利用N-iAl2O3催化剂的甲苯气相加氢反应及其动力学进行了研究，取得了一定

的进展。2003年，顾仁敖等用共焦拉曼光谱研究了苯在光滑铂电极表面的电化学还原行为，表明苯可直接还原生成环己烷。

液态有机储氢材料最早由Sultan等13于1975年提出。主要是利用液态芳香族

化合物作为储氢载体，如：苯14,15,16(理论储氢量7.19%)、甲苯(理论储氢量6.18%)、萘环17,18等。这类材料通常利用分子自身的不饱和键与氢在一定条件下发生催化加氢反应，利用其逆过程实现催化脱氢。液态有机储氢材料储氢量较高、性能稳定、安全性高、原则上可同汽油一样在常温常压下储存和运输，具有直接利用现有汽油输送方式和加油站构架的优势。然而，目前研究最多的苯、甲苯等液态材料脱氢温度均在300℃以上，远高于燃料电池的工作温度，催化脱氢过程有副反应发生，导致氢气不纯，且脱氢动力学速度也不能满足需要。

针对以上问题，Pez等19最早从理论计算上对有别于上述传统液态有机材料

的新型液态有机分子进行了设计与预测。研究表明，在氢化多芳香族化合物中引入氮杂环可以有效降低脱氢反应热，因而脱氢温度相应的得到降低。例如，环己烷的脱氢温度为318℃，完全氢化后的吡啶烷脱氢温度则降低至262℃。文献20,21提出了一种新的热力学计算方法来确定有机分子脱氢的温度，由此筛选出了一系列可能的新型储氢材料，并对之进行了相应的实验合成测试。氮乙基咔唑是最先发现的脱氢温度在200℃以下的、可完全氢化/脱氢的有机液体储氢材料。十二氢化氮乙基咔唑在150min内的氢脱附量已达到5.5%(如图1所示)，超过美国能源部2010年技术指标(4.5%)，氢气纯度高达99.9%，且完全没有CO、NH3等可能毒化燃料电池电极催化剂的气体产生。

此研究结果发布之后，吸引了国际储氢材料学界关注，催生了一系列针对有机储氢分子的氢化/脱氢性质的理论和实验探索。利用量子化学计算方法，考察

了吲哚、喹啉等一元氮杂环分子的脱氢性能，并证明对于含杂原子分子，五元环比六元环脱氢更容易，且环上取代基团的效应要优于杂环，取代和杂原子均为1、

3位效果最好。Lu等22对十氢化萘的氮掺杂效应进行了计算研究，结果表明在分

子的环中1,3,5,7和1,3,6,8碳位置引入氮杂原子最能显著降低脱氢温度。针对氮乙基咔唑自身，Sotoodeh等23研究了其催化吸氢和脱氢的反应速率以及动力学，并

同1,2,3,4–四氢咔唑的催化脱氢性质作了对比。Crawford等24通过实验和计算的方法分析了四氢咔唑的脱氢行为。Hindle等研究了气相氢受体对四氢咔唑脱氢性能的影响25。Morawa等利用DFT计算了氮乙基咔唑各个反应物和产物的能量，试图了解各个物质的相对稳定性和形成各种几何异构体的概率。Thansandote等26最近还详细综述了各种有机氮杂环的合成方法，并提出了一类新的苯氮杂环的合成路径。由于多芳香族化合物的氢化是一个热力学放热过程，完全催化加氢反应相对容易，因此，关于催化剂的研究主要集中于脱氢步骤，催化过程为均相(如螯合

铱催化剂(PCP及POCOP等)27、1,5–环八二烯铱螯合物等或异相(如氧化物或碳材

料负载的Ru,Pd纳米颗粒等)28,29两大类。

尽管氮乙基咔唑具有前所未有的优点，但要作为车载储氢材料仍然存在以下重要缺陷：1)氮乙基咔唑脱氢过程是分三级进行的。虽然一级脱氢温度仅为120℃，但二级和三级脱氢温度仍然相对较高(分别为170℃和198℃)，与燃料电池电动汽车理想的工作温度范围有一定差距。2)脱氢动力学速度较慢，低温下催化脱氢速率低，难以满足机动车辆加速和高速行驶的需要。3)氮乙基咔唑常温下为固体，而理想的储氢材料在常温下应为液体。4)人们对氮杂原子影响脱氢反应热和脱氢温度的机理尚缺乏深入认识。关于催化剂的研究主要为实验探索，对催化剂与有机储氢材料分子的多级脱氢作用过程的机理缺乏深入的理解。在以后的研究中必

须重点开发更好的有机液体储氢材料和设计更合适的催化体系。

5.总结

金属储氢材料,不仅是优良的储氢材料,还是新型的功能材料,可用于电能、机械能、热能和化学能的转换和储存,具有广阔的应用前景。然而到目前为止,那些在室温下容易释放氢的金属氢化物,其可逆吸氢量不超过2%,无法满足实际需求。同时由于成本、原料来源和性能缺陷等诸多原因的制约,使得这些材料的实际应用受到限制。从可持续发展的战略角度出发,新型的金属储氢材料应满足这样一些要求:①原料来源广、成本低、制造工艺简单;②密度小、氢含量高、能量密度大;③可逆吸放氢速度快、效率高;④循环使用寿命高等。国际能源协会(IEA)规

定未来新型储氢材料的标准为:在低于373K下吸氢容量大于5%。要达到这一标准,科研工作者尚需协同努力,做好金属储氢材料的研究工作。

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储氢材料的储氢原理与研究现状

储氢材料的储氢原理与研究现状 氢能，即氢气中所含有的能量。具有环境友好、资源丰富、热值高、燃烧性能好、潜在经济效益高等特点[2]。目前，能源危机和环境危机日益严重。许多国家都在加紧部署、实施氢能战略，如美国针对运输机械的“Freedom CAR”计划和针对规模制氢的“Future Gen”计划，日本的“New Sunshine”计划及“We-NET”系统，欧洲的“Framework”计划中关于氢能科技的投人也呈现指数上升趋势[3]。但是，氢能的使用至今未能商业化，主要的制约因素就是存储问题难以解决。因此，氢能的利用和研究成为是当今科学研究的热点之一。而寻找性能优越、安全性高、价格低廉、环保的储氢材料则成为氢能研究的关键。 目前，氢可以以高压气态液态、金属氢化物、有机氢化物和物理化学吸附等形式储存。高压气态液态[4]储氢发展的历史 较早，是比较传统而成熟的方法，无需任何材料做载体，只需耐压或绝热的容器就行，但是储氢效率很低，加压到15MPa时质量储氢密度不超过3 %。而且存在很大的安全隐患，成本也很高。 金属氢化物[5-7]储氢开始于1967年，Reilly等报道Mg2Cu能大量储存氢气，接着1970年菲利浦公司报道LaNi5在室温下能可逆吸储与释放氢气，到1984年Willims制出镍氢化物电池，掀起稀土基储氢材料的开发热潮[8-9]。金属氢化物储氢的原理是氢原子进入金属价键结构形成氢化物。有稀土镧镍、钛铁合金、镁系合金、钒、铌、锆等多元素系合金。具体有NaH-Al-Ti、 Li3N-LiNH2、MgB2-LiH、MgH2-Cr2O3及Ni(Cu,Rh)-Cr-FeO x等物质，

储氢材料

储氢材料 摘要：作为一种新型的清洁能源，氢的廉价制取、安全高效储存与运输及其模型应用，将是今后研究的重点。本文介绍了储氢材料的结构、性能、制 备及应用；展望了储氢材料的发展趋势。 关键字：氢；储氢材料；清洁能源 1引言 随着传统能源的日渐枯竭，致使人类面临着能源、资源和环境危机的严峻挑战，同时人们环保意识的日益增强，开始大力寻找新的洁净能源己成为科研工作的焦点[l]。在这些过程中，氢以其独有的优点逐渐得到人们的公认。氢作为洁净能源具有以下优点：(l) 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、风能等分解水而再生，是可再生能源；(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生成。由此可见，氢是一种清洁，高效的能源，在未来有着广阔的应用前景。在氢能利用过程中，有两个重要的方面，即氢能的制备和储运。在氢能的制备方面：人类通过利用太阳能光解海水可以制得大量的氢；故氢的储存和运输是其发展和应用中遇到的难点之一。 2 氢的存储标准与现状 “储氢材料”顾名思义是一种能够储存氢的材料。衡量储氢材料性能的标准主要有2个：体积储氢密度(kg/m3)和储氢质量分数(%)。体积储氢密度为系统单位体积内储存氢气的质量，储氢质量分数为系统储存氢气的质量与系统质量的比值。另外，充放氢的可逆性、充放气速率及可循环使用寿命等也是衡量储氢材料性能的重要参数[2]。 和其它物质一样，氢的存在状态也是固态、液态、气态。气态时存储方式较为简单方便，也是目前储存压力低于17MPa氢气的常用方法。但其密度较小，体积大；由于是易燃气体在运输和使用过程中存在安全隐患是该方法的不足之处。液态储氢方法的体积密度高(70kg/m3)，但氢气的液化需要冷却到20K的超低温下才能实现，此过程消耗的能量约占所储存氢能的25%~45%。液态氢不仅储存成本高，而且使用条件苛刻，目前只限于在航天技术领域中应用。因此这些传统的储氢方法根本无法满足现代社会对氢能利用的要求。为此世界各国纷纷投人大量精力来解决这一难题。随着研究的深入进展，在储氢材料领域中逐渐出现了多样化，其中最典型的有三大类：金属储氢材料、多孔吸附储氢材料、有机液态储氢材料等。

储氢材料综述

储氢材料研究现状与发展趋势 xxx 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,如金属储氢(镁基储氢、Fe-Ti基储氢、金属配位氢化物、钒基固溶体型储氢)、碳基储氢、有机液体储氢等材料,比较了各种储氢材料的优缺点,并指出其发展趋势。 关键字：储氢材料，储氢性能，金属储氢，碳基储氢，有机液体储氢。 1.引言 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)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)。图1给出了目前所采用和正在研究的储氢材料的储氢能力对比。

碳质储氢材料的研究进展

碳质储氢材料的研究进展 摘要 碳质材料由于具备质量轻、吸氢量大等优良特性，近年来引起了学者们的广泛关注。综述了碳质储氢材料的研究进展，介绍了碳质材料的储氢机理，并就近年来研究的热点探讨了影响碳质材料储氢的各种因素。最后，对碳质储氢材料的发展前景进行了展望。 关键词：碳质材料储氢储氢材料进展 Abstract Carbonaceous materials have been arousing increased research attention recently ，due to numerousadvantages such as low density and high storage capacity ．Research advances of carbonaceous materials for hydrogenstorage are reviewed ，and hydrogen storage mechanism of carbonaceous materials is introduced ．Moreover，based onrecent research highlights ，influence factors on hydrogen storage capacity of carbonaceous materials are discusseck E ventually future development of the carbon materials for hydrogen storage is prospected Key wolds ：Carbonaceous materials ,Hydrogen Storage , Hydrogen Storage Materials , Progress 、八、， 前言 能源和资源是人类赖以生存和发展的源泉。随着社会经济的发展，全球能源供应的日趋紧缺，环境污染的日益加剧，已有的能源和资源正在以越来越快的速度消耗。面对化石燃料能源枯竭的严重挑战，近年来世界各国纷纷把科技力量和资金转向新能源的开发。氢能作为一种可储可输的洁净的可再生能源，从长远上看，它的发展可能对能源结构产生重大改变。洁净无污染的氢能利用技术正在以惊人的速度发展，己引起工业界的热切关注。 氢的规模制备是氢能应用的基础，氢的规模储运是氢能应用的关键，氢燃料电池汽车是氢能应用的主要途径和最佳表现形式，三方面只有有机结合才能使氢能迅速走向实用化。但是，由于氢在常温常压下为气态，密度很小，仅为空气的1／14，故氢的储存就成了氢能系统的关键技术。

浅谈储氢材料

储氢材料的背景 人类社会发展进步到今天，生活现代化了。但是由于资源的大量开发、使用，使人类面临着全地球的能源危机和环境污染问题。长期以来，地球上的主 要能源煤炭、石油、天然气现在已面临枯竭的境地。在能源危机警钟响起时， 人们把注意力集中到太阳能、原子能、风能、地热能等新能源上。但是要使这 些自然存在形态的能量转变为人们直接能使用的电能，必须要把它们转化为二 次能源。那么最佳的二次能源是什么呢?氢能就是一种最佳的二次能源。 氢是地球上一种取之不尽的元素。用电解水法取氢就是氢元素的广阔源泉。氢是一种热值很高的燃料。燃烧1千克氢可放出62.8千焦的热量，1千克氢可以代替3千克煤油。氢氧结合的燃烧产物是最干净的物质--水，没有任何污染。未来最有前途的燃料电池也主要是以氢为能源。所以人们很自然地把注意力集 中在氢能源的开发和利用上。要利用好氢能源。摆在人们面前的问题是如何把 氢储存、运输和利用。 氢的来源非常丰富，若能从水中制取氢，则可谓取之不尽、用之不竭。氢 能的利用，主要包括两个方面：一是制氢工艺，二是储氢方法。 传统储氢方法有两种，一种方法是利用高压钢瓶（氢气瓶）来储存氢气， 但钢瓶储存氢气的容积小，瓶里的氢气即使加压到150个大气压，所装氢气的质量也不到氢气瓶质量的1％，而且还有爆炸的危险；另一种方法是储存液态氢，将气态氢降温到－253 0C变为液体进行储存，但液体储存箱非常庞大，需要极好的绝热装置来隔热，才能防止液态氢不会沸腾汽化。近年来，一种新型 简便的储氢方法应运而生，即利用储氢合金（金属氢化物）来储存氢气。 储氢材料的定义 储氢材料是一种能够储存氢的材料，储氢材料是能与氢反应生成金属氢化 物的物质，（狭义）具有高度的吸氢放氢反应可逆性；（广义）储氢材料是能 够担负能量储存、转换盒输送功能的物质，“载氢体”、或“载能体” 研究证明，某些金属具有很强的捕捉氢的能力，在一定的温度和压力条件下，这些金属能够大量“吸收”氢气，反应生成金属氢化物，同时放出热量。 其后，将这些金属氢化物加热，它们又会分解，将储存在其中的氢释放出来。 这些会“吸收”氢气的金属，称为储氢合金。 储氢材料的分类 化学吸附材料 金属氢化物及合金（如LaAlH4） 复合氢化物（NaAlH4、NaBH4、LiBH4等）等 物理吸附材料

储氢的各种材料

一、前言 随着社会的发展，环境保护问题已经越来越为人们所重视。酸雨、温室效应、城市热岛效应等等 或初露倪端，或已对人类造成巨大的危害，这些环保问题的产生在很大程度上与人类大量使用化石能 源有关。同时，由于能源消耗量的迅猛增加，化石能源将不能满足经济高速发展的需求，需要开发新 的能源。在我国开发清洁的新能源体系更具有重要意义。 氢可以地球上近于无限的水为原料来制备，其燃烧产物也是水，具有零污染的优点，有望在石油中国论文联盟https://www.doczj.com/doc/2a1638681.html, 时代末期成为一种主要的二次能源。氢能技术的发展，已在航天技术中得到了成功的应用。 氢是一种危险，易燃易爆的气体，在使用中必须保证安全，因此，一种安全、高能量密度（包括体积能量密度和重量能量密度）、低成本、使用寿命长的氢储、输技术的应用需求已越来越迫切。 二、目前主要的储氢方式 近年来研究较多的储氢方式有：（1）金属氢化物储氢；（2）液化储氢；（3）吸附储氢；（4）压缩储氢。 2．1金属氢化物储氢 氢和氢化金属之间可以进行可逆反应，当外界有热量加给氢化物时，它就分解为氢化金属并释放 出氢气。用来储氢的金属大多是由多种元素构成的合金，目前世界上研究成功的合金大致分为：（1）稀土镧镍，每公斤镧镍合金可储氢153L；（2）铁钛合金，储氢量大，价格低月在常温常压下释放氢；（3）镁系合金，是吸氢量最大的元素，但需要在287℃条件下才能释放氢，而且吸收氢十分缓慢；（4）钒、铌、铅等多元素系，这些金属本身是稀贵金属，因此只适用于某 些特殊场合。 与其它储氢方式相比，金属氢化物储氢具有压力平稳，充氢简单、方便、安全等优点，单位体积贮氢的密度，是相同温度、压力条件下气态氢的1000倍。该储氢方式存在的问题为在大规模应用中如 何提高储氢材料的储氢量和降低材料成本，节约贵重金属。国际能源机构确定的未来新型储素材料的标准为储氢量应大于5Wt％，并且能在温和条件下吸放氢。根据这一标准，目前的储氢合金大多尚不能满足这一性能要求。 2.2液化储氢 将氢气冷却到-253℃时氢气即可液化。液氢储存方式的质量能量密度最大，是一种轻巧紧凑的方式。但氢气液化成本高，能量损失大（氢液化所需能量为液化氢燃烧产热额的30％），且存在蒸发损 失。液氢贮存工艺首先用于宇航中，但需要极好的绝热装置来隔热，才能防止液态氢不会沸腾汽化， 导致液体贮存箱非常庞大。 2.3吸附储氢 C.CarPetis和W.Peschka是首先提出在低温条件下氢气能够在活性炭中吸附储存的两位学者。他们提出可以考虑将低温吸附刘运用到大型氢气储存中，并研究得到了在温度为-195℃和-208℃，压力为0－4．15MPa时，氢在多种活性炭上的吸附等温线：压力为4．2MPa 时，氢气在活性炭上的吸附容量分别可以达到 6．8wt％和 8．2wt％在果等温膨胀到0．2MPa，则吸附容量为4．2wt％和5．2wt％。 在一个最近的研究中，Hynek在27℃和-83℃条件下测试了一系列吸附剂，如活性炭、碳黑、碳气凝胶 以及碳分子筛等。测试结果为：在0－20MPa压力范围内，随着压力的增大，吸附剂的储氢量只有少 量的增加。 目前吸附储氢材料研究的热点是碳纳米材料。由于碳纳米材料中独特的晶格排列结构，其储氢数量大大的高过了传统的吸附储氢材料。碳纳米管产生一些带有斜口形状的层板，层

金属储氢材料研究进展_范士锋

Chemical Propellants & Polymeric Materials ２０１０年第８卷第２期 · 15 · 金属储氢材料研究进展 范士锋 （海军驻西安地区军事代表局，陕西西安 ７１００６５） 摘　要：综述了金属储氢原理、目前国内外金属储氢材料的研究现状及应用研究进展，对镁系、稀土系、Ｌａｖｅｓ相系、钛系及金属配位氢化物等几个系列金属储氢材料当前的研究热点和存在问题进行了详细介绍，并对未来金属储氢材料在民品和军工方面的应用研究方向和发展趋势进行了展望。 关键词：金属储氢材料；研究进展；发展趋势 中图分类号：　ＴＧ１３９．７ 文献标识码：　Ａ 文章编号：　１６７２－２１９１（２０１０）０２－００１５－０５ 收稿日期：２００９－０９－０９ 作者简介：范士锋（１９７８－），男，工程师，从事战略导弹总体与固体火箭发动机研究。电子信箱：ｊｉｚｈｅｎｌｉ＠１２６．ｃｏｍ 作为燃料，氢具有最高的质量热值（其热值１．２５×１０６ｋＪ／ｋｇ，为汽油的３倍、焦炭的４．５倍）， 是理想的高能清洁燃料之一［１－２］。目前，尽管高压（低于１７ＭＰａ）气态储氢、低温（低于２０Ｋ）液态储氢等技术手段使得氢在一些常规燃料和航天推进等领域得以应用，但高压气态氢体积热值小以及低温液态氢液化过程耗能高、使用条件苛刻等问题严重限制了氢作为火炸药能量供给组分的应用。利用吸氢材料与氢气反应生成固溶体和氢化物的固体储氢方式，能有效克服上述储存方式的不足，而且储氢体积密度大、安全度高、使用和运输便利。因此，今后储氢研究的重点将是新型高性能储氢材料的研发，目前研究较为广泛的主要是金属储氢材料［３］。 储氢材料按氢的结合方式可分为化学键合储氢（如储氢合金、配位氢化物、氨基化合物、有机液体碳氢化合物等）和物理吸附储氢（碳纳米管、多孔碳基材料、金属有机框架材料、纳米储氢材料、多孔聚合物等）。从上述储氢材料的性能（燃烧热、材料密度、储氢密度、反应活性）等衡量标准分析，高热值的金属储氢材料（包括金属氢化物或合金储氢材料）是火炸药燃料组分的发展重点。 文中主要针对当前金属储氢材料的研究热点和存在问题，对相关金属储氢材料的国内外研究进展进行较为详细的综述，以期为此类高性能材料在火炸药中的应用提供研究思路。 １ 金属储氢原理及储氢研究现状 传统的氢气存储方式中，气态储氢方式简单 方便，是目前储存压力低于１７ＭＰａ的常用方法，但存在着体积密度小、运输和使用过程中易燃易爆等缺点；液态储氢方法的体积密度（７０ｋｇ／ｍ３）较高，但氢气的液化需要冷却到２０Ｋ的超低温下才能实现，此过程需消耗的能量约占所储存氢能的２５％￣４５％，且液态氢使用条件苛刻，对储罐绝热性能要求高，目前只限于航天领域。金属储氢材料是目前研究较为广泛、成熟的新型高性能大规模储氢材料之一，其储氢密度高、安全性好、适于大规模氢气储运，最重要的特性是能够可逆地吸、放大量氢气。氢一旦与储氢合金接触，即在其表面分解为Ｈ原子，Ｈ原子扩散进入合金内部直至与合金发生反应而生成金属氢化物，氢即以原子态储存在金属结晶点内（四面体与八面体间隙位置）。在一定温度和氢压强条件下，上述吸、放氢反应式如下式所示： 其中，吸氢过程放热，放氢过程吸热，上述吸、放氢反应过程热力学和动力学与温度、氢压力密切相关，特别是放氢压力与反应温度呈指数变化关系［４］。 储氢材料性能的衡量标准主要用以下２个产量表示：体积储氢密度和质量储氢密度。其中，体积储氢密度为系统单位体积内储存氢气的质量（ｋｇ／ｍ３），质量储氢密度为系统储存氢气的质量与系统质量的比值（质量分数）。考虑储氢材料在火炸药中的应用，系统燃烧热（与储存介质的热值和储氢质量分数的大小密切相关）、系统密度（与储存介质的密度和结构相关）和反应活性（ 与氧化

表面吸附与效储氢材料

表面吸附与高效储氢材料 0809401083 匡鹏 一.能源危机与应用氢气的瓶颈 人类的历史某种程度上也是能源的发展历史，过去的五千年里，人类主要能源由草木，秸秆到煤天然气，尤其是近代以来，工业革命的发展与人们生活水平的快速提高使能源的需求快速增长，而据估计地球的化石能源只可以再支持50年的这种消耗速度，而即使没有能源枯竭的危机，人类使用化石能源也会受到极大的制约，因为化石带来的巨大污染近几十年来不断的浮现，更加促使人们寻找替代的能源。 当前几种有前途的能源解决方案——核聚变，裂变（体积太大，且危险过大），风能（不适宜携带，且有间隔性），太阳能（功率不够），都有各种缺陷，而不可以完全取代化石能源。氢能作为一种储量丰富，来源广泛（海水）能量密度高（氢气热值：143kJ／g，为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍）清洁（生成水），取代方便（利用原理与汽油等一样，稍加改进即可用于现在的发动机）的绿色能源受到了广泛的关注。 氢能是一种二次能源，其开发与利用需要解决氢的制取，储存，和利用三个问题，由于氢易燃，易爆且已扩散，这就使得人们实际应用中优先考虑氢储存，运输中的安全，高效和无泄漏损失，因此，氢的规模安全存储是现阶段氢能利用的瓶颈。 二.可以采用的氢气存储方法 根据氢的气体特征，其存储方式可以分为物理法与化学法。目前采用的储氢方式主要有四种：高压储氢，液化储氢，金属氢化物储氢以及吸附储氢。高压储氢的最大优点是操作方便，能耗小。

由以上表可以看到无论传统还是最近的金属氢化物，固态储氢都没有达到可以大规模应用的技术成熟水平。而吸附储氢在储氢密度，能源效率及操作安全性等方面颇具技术优势，其发展前景被看好。 三.表面吸附的原理及其对吸附材料的要求 固体表面的原子，由于周围原子对他的作用力不对称，即表面原子所受的力不饱和，因而有剩余力场，可以吸附气体或液体。制糖时，用活性炭来处理糖液，以吸附其中的杂质，得到洁白的产品，就是利用了活性炭的吸附能力。固体吸附有如下几个特点：1.固体表面分子移动困难，所以只可以靠降低界面张力的方法降低表面能2.固体表面是不均匀的，各个不同位置的吸附热与催化活性差别很大3.固体表面层的组成不同于体相内部。 按照吸附分子与固体表面的作用力的不同可以将吸附分为两类

碳基和有机物储氢材料的研究进展_吕丹

碳基和有机物储氢材料的研究进展 吕　丹1,2,刘太奇1 (1.北京石油化工学院环境材料研究中心,北京102617;2.北京化工大学,北京100029) 摘　要:日益严峻的能源危机和环境污染,使得发展清洁的可再生能源成为各个国家的重要议题。氢能源以其可再生性和良好的环保效应成为未来最具发展潜力的能源载体。氢的储存是发展氢能技术的难点之一。本文介绍了目前很受关注的两种储氢材料:碳基储氢材料和有机物储氢材料。其中碳基储氢材料主要介绍了活性炭、碳纤维、碳纳米管及碳化物的衍生物;而有机物储氢材料主要介绍了有机液体和金属有机物。同时对碳基及有机物储氢材料的研究进展进行了综述。指出了碳基储氢材料的未来研究方向,提出了金属有机多孔材料的逐步发展,是开发新型多孔材料的一个关键,也是探索新型的金属有机物储氢材料的关键。 关键词:碳基储氢材料;有机物储氢材料;金属有机物 中图分类号:TQ127.12 文献识别码:A 随着环境污染的日趋严重以及石油、煤等能源的逐渐枯竭,世界各国都已开始致力于新能源的研究与开发。氢气是一种高能量密度、清洁且资源丰富的绿色新能源,它在燃料电池以及高能可充放电电池等方面展现了很好的应用前景,从而有望成为未来世界的主要能源。在利用氢能的过程中,氢气的储存和运输是关键问题。目前所用的储氢材料主要有合金、碳材料、有机化合物以及玻璃微球和某些络合物。本文主要讨论碳基及有机物储氢的储氢功能特点,综述了它们的近期研究进展。 1　碳基储氢材料 1.1　活性炭储氢 Carpetis是最早研究在活性碳中吸附储存氢的学者,他在论文中第一次提到将低温吸附剂运用到大型储氢系统中,指出氢气在活性炭中吸附储存的容积密度和液态氢的容积密度相当。当温度为78 K和65K,压力为4.20×105Pa时,氢气在活性炭上的储氢质量分数分别为6.37%和7.58%[1]。但是普通活性炭储氢,即使在低温下储氢量也达不到质量分数1%,对氢气的储存能力不太明显,只是活性炭便宜且容易制得。周理等用比表面积3000 m2/g,微孔容积1.5mL/g的超级活性炭,在-196℃,3MPa下储氢量达到质量分数5%。但随温度提高,储氢量越来越低[2]。詹亮等用高硫焦制备了一系列的活性炭,研究表明氢在超级活性炭上的储存量,在较低压力下随压力升高而显著增加;在较高压力下,活性炭的比表面积对其影响较为明显。在293K/5MPa,94K/6M Pa下,超级活性炭上的储氢质量分数达1.90%,9.80%[3]。 活性炭贮氢主要用于低压吸附贮氢,如作为汽车燃料的贮存。由于该技术具有压力低、贮存容器自重轻、形状选择余地大、成本低等优点,已引起广泛关注。但美国能源部(DOE)要求,对燃料电池电动汽车,其体积储氢密度必须达到63kg/m3,质量分数6.50%。从已有的应用研究证明,各种分子筛和超级活性炭均达不到DOE的要求[4]。 1.2　碳纤维储氢材料 碳纳米纤维表面具有分子级细孔,内部直径大约10nm的中空管,比表面积大,而且可以合成石墨层面垂直于纤维轴向或与轴向成一定角度的鱼骨状特殊结构的纳米碳纤维,大量氢气可以在纳米碳纤维中凝聚,从而可能具有超级贮氢能力[5]。 石墨纳米纤维由含碳化合物经所选金属颗粒催化分解产生。Chambe rs等用鲱鱼骨状的纳米炭纤维在12MPa,25℃下竟然得到的储氢质量分数为67%,但至今无人能重复此结果。最近Angela等人报道了进行各种预处理的石墨纳米纤维,在预处理阶段具有显著的储氢水平。最好的预处理能导致在7.04M Pa和室温下储存氢气的质量分数为3.80%[6]。 范月英等用纳米炭纤维于12M Pa,25℃下储存了质量分数13.60%的氢气[7]。毛宗强等用自制的碳纳米纤维在特制的不锈钢高压回路中进行了吸附储氢的验证实验,发现在室温条件下,经适当处理的碳纳米纤维的储氢能力最高可达9.99%[8]。 螺旋形炭纤维是20世纪90年代初日本的Mo-tojima等以镍作催化剂,采用催化热解乙炔方法制备而得并能很好地重复[9]。螺旋炭纤维由于具有不同手性的特殊螺旋结构(手性材料的最大特点是具有电磁场的交叉极化性能),从而使其有可能在储能材料、微电子器件、电磁波吸收剂等诸多领域得到应 14《新技术新工艺》纳米材料、新材料研究进展综述　2006年　第8期

储氢材料概述 (1)

课程论文 储氢材料概述Hydrogen storage material in the paper 作者姓名：关体红 年级专业： 2010 级应用化学 课程名称：化工实用技术 学号： 20105052006 指导教师：许东利 完成日期： 2012-06-15 成绩： 信阳师范学院 Xinyang Normal University

目录 摘要 (1) 关键词 (1) Abstract (1) Keywords (1) 引言 (1) 1 碳基储氢材料 (2) 1.1活性炭储氢 (2) 1.2 碳纤维储氢材料 (3) 1.3 碳纳米管储氢材料 (3) 1.4 碳化物的衍生物作为储氢材料 (4) 2 有机物储氢材料 (4) 3 储氢合金 (5) 3.1 镁系 (5) 3.2 稀土系 (6) 3.3 钛系 (6) 3.4 锆系 (6) 3.5 V基固溶体储氢合金 (6) 4 配位氢化物储氢材料 (7) 结束语 (7) 参考文献 (8)

信阳师范学院化学化工学院学年论文 储氢材料概述 学生姓名：关体红学号：20105052006 化学化工学院2010级应用化学 课程名称化工实用技术 摘要：氢能是21世纪主要的新能源之一。作为一种新型的清洁能源 ,氢的廉价制取、安全高效储存与输送及规模应用是当今研究的重点课题 ,而氢的储存是氢能应用的关键。储氢材料能可逆地大量吸放氢 ,在氢的储存与输送过程中是一种重要载体。本文综述了目前研究最广的四大类储氢材料：碳基储氢材料、有机物储氢材料、储氢合金、配位氢化物储氢材料。 关键词：储氢；碳基；有机液体；储氢合金；配位氢化物 Hydrogen storage material in the paper Abstract：In the 21st century, the hydrogen is one of the major new energy. As a new type of clean energy, the cheap hydrogen production, storage and transportation safety and efficiency and scale of application is the key research subject, and hydrogen storage is the key of hydrogen application. Hydrogen storage material can absorb a large reversibly put hydrogen, in hydrogen storage and transport process is a kind of important carrier. This paper summarized the present study is the most extensive four categories of hydrogen storage material: carbon hydrogen storage material and organic hydrogen storage material, hydrogen storage alloy, coordination hydride hydrogen storage material. Keywords：Hydrogen storage; Carbon; Organic liquid. Hydrogen storage alloy; Coordination hydride 引言 人类进入21世纪，节能环保不再只是一句口号。随着能源紧张与环境污染问题的日益凸显，新能源和清洁能源的开发利用受到人们越来越多的关注。在众多新能源中，氢能被人们寄予了厚望。

纳米储氢材料的研究进展

纳米储氢材料的研究进展* 刘战伟? (桂林电子科技大学信息材料科学与工程系，广西 桂林 541004) 摘 要：储氢材料的纳米化为新型储氢材料的研究提供了新的研究方向和思路，本文详细介绍了纳米储氢材料性能提高的机理，综述了纳米碳纳米管储氢材料、镁基纳米储氢材料以及复合纳米储氢材料 的最新研究进展，并对储氢材料纳米化的广阔前景进行了展望。 关键词：纳米；储氢材料；储氢性能 中图分类号：TB383 文献标识码：A文章编号：1003-7551(2009)01-0033-04 1 引言 当今世界，随着传统能源石油、煤炭日渐枯竭，且石油、煤炭燃烧产物二氧化碳和二氧化硫又分别产生温室效应和酸雨危害，使人类面临能源、资源和环境危机的严峻挑战，寻找新的能源已成为人们的普遍共识。氢作为一种洁净能源，已受到人们的充分重视[1]。近年来，在镍氢二次燃料电池等氢能的应用方面不断取得进展。20世纪60年代末，研究者发现Mg2Ni、LaNi5、FeTi等金属间化合物具有可逆储放氢气的特性，并且储氢密度大，可与液氢和固氢效果相比拟[2,3]。此后随着对于金属氢化物作为能量储存以及能量转换材料进一步深入地研究，到目前为止，已开发的贮氢合金主要有AB、AB5、AB2、A2B和镁基五大类型[4]，储氢合金主要由可与氢形成稳定氢化物的放热型金属A(La、Ti、Zr、Mg、V等)和难与氢形成氢化物但具有氢催化活性的金属B(Ni、Fe、Co、Mn等)按一定比例组成。传统的AB、AB2和A2B型储氢合金储氢量不超过2wt%，这对储氢合金的某些应用领域(如燃料电池)是远远不够的。国际能源协会(IEA)要求储氢量至少为5wt%，并且放氢温度低于423K，循环寿命超过1000次。而传统镁基储氢量高，但有放氢温度高和吸放氢动力学慢的缺点。如何获得容量大，充放氢速度快，放氢温度低的新型储氢材料，成为储氢材料与储氢技术研究和开发中至关重要的内容和亟待解决的问题。 纳米材料是指一类粒度在1～100nm之间的超细材料，是介于单个原子、分子与宏观物体之间的原子集合体，是一种典型的介观体系。由于纳米材料的比表面能高，存在大量的表面缺陷，高度的不饱和悬键，较高的化学反应活性以及自身的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应等，从而使其具有常规尺寸材料所不具备光学、磁、电、热等特性，成为继互联网和基因研究之后科学领域的又一研究热点，引发了世界各国科学工作者在相关理论研究及应用开发的广泛兴趣。纳米尺度的贮氢合金呈现出许多新的热力学和动力学特征，其活化性能明显提高[5,6]，具有更高的氢扩散系统[7,8]，并具有优良的吸放氢动力学性能[7,9,10]。储氢材料的纳米化为新兴的储氢材料的研究提供了新的研究方向和思路，本文详细介绍了纳米储氢材料性能提高的机理，综述了纳米碳纳米管储氢材料、镁基纳米储氢材料以及复合纳米储氢材料的最新研究进展，并对储氢材料纳米化的广阔前景进行了展望。 2 纳米储氢材料储氢性能提高机理 一般认为，储氢合金纳米化提高储氢特性主要表现在以下几个方面原因：（1）量子尺寸效应和宏观量子隧道效应：对于纳米尺寸的金属颗粒，连续的能带分裂为分立的能级，并且能级间的平均间距增大，使得氢原子容易获得解离所需的能量，表现为贮氢合金活化能降低和活化温度降低；（2）纳米材料的表面效应：纳米颗粒具有巨大的比表面积，电子的输送将受到微粒表面的散射，颗粒之间的界面形成电子散射的高势垒，界面电荷的积累产生界面极化，而元素的电负性差越大,合金的生成焓越负,合金氢化物越稳定，金属氢化物能够大量生成。单位体积吸纳的氢的质量明显大于宏观颗粒。（3）比表面积和催化特性：纳米贮氢合金比表面积大，表面能高，氢原子有效吸附面积显著增多，氢扩散阻力下降，而且氢解反应在合金纳米晶的催化作用下反应速率增加，纳米晶具有高比例的表面活性原子, 有利于反应物在其表面吸附,有效降低了电极表面氢原子的吸附活化能,因而具有高的电催化性能。另外，由于纳米晶粒相当细小,导致晶界和晶格缺陷增加,而晶 * 基金项目：广西研究生教育创新计划资助项目（2008105950805M438） ? 通讯作者：liuzhanwei@https://www.doczj.com/doc/2a1638681.html, 收稿日期：2009-01-13 33

储氢材料的发展现状、应用与制备综述

储氢材料的发展现状、应用与制备 摘要：能源危机和开发新能源一直是人类发展进程中相互依赖和相互促进的两个重要因素。为了保护环境，开发新能源，可以利用太阳能、地热、风能及海水等。其中，氢能是人类未来的理想能源，它是一种高能量密度、清洁的能源，是最有吸引力的能源形式之一，具有热值高、资源丰富、干净、无毒、无污染等特性。而氢的贮存和运输一直是个技术难题，由于制造液氢的设备费用很高，液化时又要消耗大量的能量，氢气和空气混合还会有爆炸的危险，因此能否利用氢气作为能源的关键是能否解决氢气的贮存和运输技术。本文简要讲述了储氢材料的发展现状、主要应用与制备技术。 关键词：储氢材料、性质、应用、发展、制备 1引言 当前，人类面临着能源危机，作为主要能源的石油、煤炭和天然气由于长期的过量开采已濒临枯竭。为了开发新能源，人们利用太阳能、地热、风能及海水的温差等，试图将它们转化为二次能源。氢由于其优异的特性受到高度重视，首先氢由储量丰富的水做原料，资源不受限制；第二氢燃烧的生成物是水，环境污染极少，不破坏自然循环；第三，氢由于很高的能量密度；此外，氢可以储存、输送，用途十分广泛。本文主要简述了储氢材料的基本性质、发展现状以及制备工艺。 2储氢材料的基本性质 储氢材料是一种能在晶体的空隙中大量贮存氢原子的合金材料，具有可逆吸放氢的性质。大多数金属合金（M）在一定的温度和压力条件下，与氢生成金属 →MHx+ΔH（生成热）。 氢化物（MHx）：M+XH 2 2.1储氢材料应具备的基本条件 作为储存能量的材料，储氢材料应具备以下条件： （1）易活化，氢的吸储量大； （2）用于储氢时，氢化物的生成热小；用于蓄热时生成热要尽量大； （3）在室温附近时，氢化物的离解压为203-304kPa，具有稳定的合适的平衡分解压； （4）氢的吸储或释放速度快，氢吸收和分解过程中的平衡压（滞后）小； 、水分等的耐中毒能力强； （5）对不纯物如氧、氮、CO、CO 2 （6）当氢反复吸储和释放时，微粉化少，性能不会劣化； （7）金属氢化物的有效热导率大，储氢材料价廉； （8）吸收和释放氢的速度快，氢扩散速度大，可逆性好。 2.2影响储氢材料吸储能力的因素

储氢材料与方式

储氢材料的研究概况与发展方向 随着社会发展、人口增长，人类对能源的需求将越来越大。以煤、石油、天然气等为代表的化石能源是当前的主要能源，但化石能源属不可再生资源，储量有限，而且化石能源的大量使用，还造成了越来越严重的环境污染问题。因此，可持续发展的压力迫使人类去寻找更为清洁的新型能源。氢能作为一种高能量密度、清洁的绿色新能源，氢能的如何有效利用便引起了人们的广泛研究。 目前来看，氢能的存储是氢能应用的主要瓶颈。氢能工业对储氢的要求总的来说是储氢系统要安全、容量大、成本低、使用方便。美国能源部将储氢系统的目标定为：质量密度为6.5%，体积密度为62kgH2/m3。瞄准该目标，国内外展开了大量的研究。本文综述了目前所采用或正在研究的主要储氢材料与技术，包括金属氢化物、碳质材料、配位氢化物、水合物，分析了它们的优缺点，同时指出其相关发展趋势。 1金属氢化物 金属氢化物储氢具有安全可靠、储氢能耗低、储存容量高（单位体积储氢密度高）、制备技术和工艺相对成熟等优点。此外，金属氢化物储氢还有将氢气纯化、 压缩的功能。因此，金属氢化物储氢是目前应用最为广泛的储氢材料。 储氢合金是指在一定温度和氢气压力下，能可逆地大量吸收、储存和释放氢气的金属间化合物。储氢合金由两部分组成，一部分为吸氢元素或与氢有很强亲和力的元素（A）,它控制着储氢量的多少，是组成储氢合金的关键元素，主要是I A~ VB族金属，如Ti、Zr、Ca、Mg、V、Nb、Re（稀土元素）；另一部分则为吸氢量小或根本不吸氢的元素（B），它则控制着吸/放氢的可逆性，起调节生成热与分解压力的作用，女口Fe、Co、Ni、Cr、Cu、Al等。图1列出了一些金属氢化物的储氢能力。 目前世界上已经研制出多种储氢合金，按储氢合金金属组成元素的数目划分，可分为：二元系、三元系和多元系；按储氢合金材料的主要金属元素区分，可分为：稀土系、镁系、钛系、钒基固溶体、锆系等；而组成储氢合金的金属可分为吸氢类（用A表示）和不吸氢类（用B表示），据此又可将储氢合金分为：AB5型、AB2 型、AB 型、A2B 型。 1.1稀土系储氢合金

储氢材料的研究与发展前景

目录 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)

储氢材料

课程名称：先进材料综合实验 指导老师： 成绩：_____________ 实验名称： 储氢材料 实验类型： 技术实验 同组学生姓名：__________ 一、实验目的和要求 二、实验内容和原理 三、主要实验仪器设备 四、操作方法与实验步骤 五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析 七、讨论、心得 一、实验目的 1.了解储氢材料的基本理论及实验方法； 2.掌握储氢材料的设计、制备技术及吸放氢性能测试方法； 3.增强对材料的成分、结构和储氢性能之间关系的认识。 二、实验原理 储氢材料：名义上是一种能有效储存氢的材料，实际上它必须是能在适当的温度、压力条件下进行可逆吸放氢的材料，其主要应用于染料电池和镍氢电池中。 特点: 1.容易活化，单位质量和体积储氢量大（电化学储氢容量高）； 2.吸放氢速度快，氢扩散速度大，可逆性好； 3.有较平坦和较宽的平衡平台压区，平衡分解压适中。做气态储氢材料应用时，室温附近的分解压应为>0.1MPa ，做电池材料应用时以10-3——10-1MPa 为宜； 4.吸收、分解过程中的平衡氢压差，即滞后要小； 5.氢化物生成焓，作为储氢材料或电池材料时应该小，做蓄热材料时则应该大； 6.寿命长，能保持性能稳定，作为电池材料时能耐碱液腐蚀； 7.有效导热率大、电催化活性高； 8.价格低廉，不污染环境，容易制造。 分类: 目前研究较多的传统材料体系主要有以下几种类型：AB 5型稀土系材料，非AB 5型稀土 系材料，AB 2型Laves 相材料，AB 型钛系材料，Mg 基材料和V 基固溶体型材料；另外，还包括近年来研究非常热门的金属或非金属的配位氢化物储氢材料：如Al 基配位氢化物、B 基配位氢化物和氨基氢化物。 储氢材料的储氢机理： 1. 气-固储氢反应机理 在一定的温度和压力条件下，储氢材料和H 2通过气-固反应生成含氢固溶体和氢化物相。其吸、 放氢反应可表示为： o 222H MH x y H MH x y y x ?+-?+- 式中MH x 为含氢固溶体相（α相），MH y 为氢化物相（β相），?H o 表示氢化物生成焓或氢化反应 热。一般吸放氢反应为可逆反应，吸氢过程是放热反应，?H o <0，而放氢过程则是吸热反应，即?H o >0。 材料科学与工程学系 实验报告

纳米储氢材料研究

纳米储氢技术 摘要：氢能是未来最有发展前景的绿色能源之一，致力于发展以氢作为能源载体的清洁可再生能源技术已成为全球的共识，然而氢的安全高效存储一直是制约氢利用的瓶颈。因此，探寻新型的具有高容量储氢性能和良好吸放氢动力学性能的储氢材料是目前国际上高度关注的研究课题。正在研究的储氢技术主要包括高压储氢、金属氢化物材料、配位氢化物材料、化学氢化物材料、金属有机框架材料等，但目前它们均无法完全满足储氢量高、吸放氢速度较快、吸放氢温度适中、循环性能较好、安全和价格经济等储氢材料的要求。因此，研究者的方向转向了具有多孔和高比表面积的纳米储氢材料。研究者发现，将氢原子在吸放氢的过程中所需要运动的活动范围限制到纳米级，储氢材料能够体现出良好的动力学性能。此外，理论计算结果表明，当颗粒尺寸减少到纳米级时，金属氢化物会因为表面能的急剧增加，使其热力学性能大大改善。因此，制备纳米级的储氢材料是提高材料吸放氢性能的重要途径。例如，碳基纳米结构以其具有轻质量和大比表面积的特点受到关注；使用金属原子对纳米结构的表面进行修饰，包括过渡金属元素、碱金属元素或碱土金属元素等都可以显著的提高纳米结构的化学活性，从而提高储氢量。 关键词：多孔、低维纳米材料、碳纳米管、硼纳米管、金属原子修饰

目录 纳米储氢技术 (1) 1.研究背景 (3) 1.1燃料电池汽车的发展概况 (3) 2.研究现状 (3) 2.2.1高压储氢技术 (5) 2.2.2液化储氢技术 (8) 2.2.3金属氢化物储氢技术 (8) 2.2.4有机液体储氢材料 (9) 3纳米储氢技术 (10) 3.1碳复合纳米材料 (11) 3.1.1碳纳米管或纤维 (11) 3.1.2Ti掺杂碳纳米管 (12) 3.2镁基储氢材料的纳米改性 (15) 3.2.1复合材料储氢性能及温度对储氢性能的影响 (17) 3.3硼基纳米材料储氢 (19) 3.3.1硼化锂低维结构 (19) 3.3.2硼氮纳米结构储氢 (20) 3.3.3金属硼烷结构储氢 (22) 4总结与展望 (22)