金属储氢材料与材料设计研究进展

镁基固态储氢材料的研究进展梁宸曦;王振斌;张明锦;马存花;梁宁【期刊名称】《储能科学与技术》【年(卷),期】2024(13)3【摘要】氢能有望成为脱碳时代的“理想燃料”。

高性能储氢材料的发现、开发和改性是未来发展固态储氢和氢能源利用的关键。

而氢化镁(MgH2)具有储氢能力强、自然储量丰富、环境友好等特点,在固态储氢材料领域备受关注。

但是氢化镁较高的热力学稳定性、缓慢的动力学性能,以及循环过程中不可避免的团聚和粗化等问题在一定程度上限制了镁基固态储氢材料的大规模投产和实际应用。

近年来,大量研究工作聚焦于镁基储氢材料的热/动力学改性,目前已经取得了大量的成果。

本文通过回顾国内外相关文献,综述了改善镁基固态储氢材料储氢性能的最新研究进展,着重介绍了合金化、纳米化、引入催化剂等改性策略,阐述了不同策略具体的改性机理。

最后对未来的发展方向进行了展望,旨在为高性能镁基储氢材料的研发提供借鉴与指导。

【总页数】37页(P788-824)【作者】梁宸曦;王振斌;张明锦;马存花;梁宁【作者单位】青海师范大学化学化工学院;青海省人民政府-北京师范大学高原科学与可持续发展研究院;河南省地质矿产勘查开发局第三地质勘查院;河南省金属矿产深孔钻探工程技术研究中心【正文语种】中文【中图分类】TK91【相关文献】1.催化剂对镁基储氢材料储氢性能影响的研究进展2.二硫化钼助磨的镁基储氢材料相结构及储氢性能3.镁基合金与碳纳米纤维复合储氢材料的制备与性能研究(Ⅰ)——以化学镀Ni碳纳米纤维为前驱物热扩散法合成Mg_2Ni-CNFs复合储氢材料4.镁基储氢材料水解制氢研究进展5.镁基固态储氢材料研究进展因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

金属有机框架材料的研究进展与应用金属有机框架材料(Metal-Organic Frameworks, MOFs)是一种由金属离子或簇与有机配体构成的多孔晶体材料。

近年来，MOFs由于其储氢、气体吸附等方面的应用价值，成为了材料领域的研究热点之一。

本文将从材料的结构、制备方法、特性及其应用等方面，介绍金属有机框架材料的研究进展与应用。

一、材料结构和制备方法MOFs的特点是具有高度可控的结构，孔洞以及表面性质。

在结构上，MOFs通常是由金属离子作为桥接点与有机配体构成的三维网络结构，它们的孔道可由孔径大小和拓扑结构调节，具有设计性。

在制备方法方面，为了获得高度可控的结构，孔洞以及表面性质，MOFs的合成方法越来越多种多样，如热力学合成法、水热合成法、气相合成法、固相合成法等。

其中，水热合成法是目前最为常见的合成方法，因为该方法易于控制结构，成功率高，并且可以通过适当调整反应条件来合成各种具有不同性质的MOFs。

二、特性分析MOFs的多孔性质决定了其可广泛应用于吸附、分离、储存、传质和催化等方面。

MOFs的孔径大小、孔洞的连接方式以及表面性质可以通过调节其组成、结构以及制备条件进行控制。

例如，通过在MOFs中使用碳链的配体，可以减小孔径，即增加MOFs 的表面积和孔洞比表面积，从而增强其吸附性能。

三、应用研究MOFs的应用领域十分广泛。

在能源上的应用方面， MOFs可用于质子交换膜燃料电池、太阳能电池等干净的能源技术。

MOFs在环保领域中也有广泛的应用，如空气净化、水处理等。

此外，MOFs还被广泛地应用于储氢、气体分离、气体吸附等领域。

例如，MOFs具有高度孔径和表面积，可以用于储氢，可以储存更多的氢，从而扩大了储氢材料的使用范围。

四、结论与展望MOFs的研究和应用领域正在不断地扩大和深入。

MOFs的高度可控的结构、表面性质和孔道结构N给了它们在许多领域的广泛应用前景。

尽管存在一些问题，如生产成本高、MOFs的稳定性不足、在一定程度上限制了其的应用，但随着科技的不断进步和MOFs研究的深入，信心和热情让我们相信，在不久的将来，金属有机框架材料的研究及应用会有更加广泛的前景。

储氢合金的储氢原理
储氢合金是一种特殊的材料，可以吸收、存储和释放氢气。

其储氢原理基于物理吸附和化学吸附两个主要机制。

物理吸附是指氢气分子在储氢合金材料的表面上通过范德华力与吸附位点相互作用。

这种吸附是可逆的，氢气在较低温度和较高压力下被储存，并且在相同条件下释放。

物理吸附的储氢容量取决于合金材料的孔隙结构和表面积，以及温度和压力。

化学吸附是指氢气分子与储氢合金材料中的金属原子发生化学键形成化合物，从而实现氢气的储存。

与物理吸附不同，化学吸附是不可逆的，需要高温和较高压力才能释放储存的氢气。

化学吸附的储氢容量取决于合金材料中金属原子的活性和可储存氢气的化学键的数量。

储氢合金的设计和制备需要考虑上述储氢原理。

合金材料的选择应基于其具有高表面积和适当的孔隙结构，以达到较高的物理吸附储氢容量。

同时，合金中的金属原子需要具有良好的催化活性和与氢气反应形成化合物的能力，以实现较高的化学吸附储氢容量。

综上所述，储氢合金的储氢原理主要通过物理吸附和化学吸附两种机制实现。

物理吸附是可逆的，而化学吸附是不可逆的，两种机制共同作用可提供高效的氢气储存和释放。

这为氢能源的应用提供了一种可行的储氢技术。

低压固态合金储氢低压固态合金储氢是一种新型的储氢材料，具有高储氢容量、低压储氢能力和优良的氢解吸动力学性能。

它能够将氢气吸附在固体材料中，在低压下稳定储存。

这一技术对于氢能源的发展和应用具有重要意义，因此在相关领域得到了广泛关注和研究。

以下是一些相关参考内容介绍：1. 低压固态合金储氢的原理和机制：低压固态合金储氢的基本原理是利用合金材料的特殊结构和化学反应来吸附和储存氢气。

合金材料中的金属或合金吸附氢气，形成氢固溶体或金属氢化物。

合金材料的晶格结构和电子状态改变，使得氢气在低压下稳定地储存。

通过调控合金成分、晶格结构和材料表面性质等方式，可以提高储氢容量和改善储氢性能。

2. 低压固态合金储氢材料的种类：目前已经发现了许多适用于低压固态合金储氢的材料，如金属合金、金属氢化物、过渡金属硼化物等。

金属合金具有良好的吸附和解吸性能，而金属氢化物具有较高的储氢容量。

过渡金属硼化物因其特殊结构和化学反应性能，成为低压固态合金储氢材料的研究热点。

3. 低压固态合金储氢技术的进展和挑战：过去几年，低压固态合金储氢技术取得了一系列重要的研究进展。

研究人员通过合金材料的合成、表征和储氢性能的评估，提高了储氢容量和储氢速率。

然而，该技术还面临着一些挑战，如合金材料的稳定性、循环寿命和氢解吸动力学等方面仍需进一步改进。

4. 低压固态合金储氢的应用前景：低压固态合金储氢技术在氢能源存储和利用领域具有广阔的应用前景。

它可以提供可靠、高效的氢能源储存方式，应用于氢燃料电池、氢气储存和供应系统等。

此外，低压固态合金储氢技术还可以应用于氢能源车辆和移动设备中，实现清洁、可持续的能源供应。

5. 低压固态合金储氢技术的发展趋势：随着对可再生能源的需求增加和氢能源的推广，低压固态合金储氢技术将得到更多的关注和应用。

未来的发展趋势包括优化合金材料的结构和成分，提高储氢性能和循环寿命；开展基于机器学习和模拟计算的高通量材料筛选和设计；探索新型合金材料和化学反应机制，实现更高效的储氢和释氢过程等。

・８６　・　材料导报　２００７年３月第２１卷第３期　金属合金及碳材料储氢的研究进展　卢国俭　，周仕学　，姜瑶瑶　，雷桂芹　，吴峻青　，杨敏建　（１山东科技大学化学与环境２１２程学院，青岛２６６５１０￣２连云港师范高等专科学校，连云港２２２００６）　摘要　论述了金属合金和碳材料的储氢机理、吸放氢量和动力学性能；探讨了活性金属Ｎｉ、Ｐｄ、　和Ｋ对碳材　料储氢的催化性能和金属Ｍｇ与多壁纳米碳管、碳纳米纤维、高比表面积活性炭、无烟煤和纳米石墨等碳材料复合储　氢的性能及机理；指出了储氢材料应该向Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａ１、Ｂ等轻元素和无烟煤、石墨等储量大、赋存广、成本低的碳材　料方向发展。　关键词　储氢材料金属合金碳材料储氢密度　中图分类号：ＴＱ２１　文献标识码：Ａ　

Ｏｖｅｒｖｉｅｗ　ｏｆ　Ａｌｌｏｙ　ａｎｄ　Ｃａｒｂｏｎ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　ｆｏｒ　Ｈｙｄｒｏｇｅｎ　Ｓｔｏｒａｇｅ　ＬＵ　Ｇｕｏｊｉａｎ　，ＺＨＯＵ　Ｓｈｉｘｕｅ　，ＪＩＡＮＧ　Ｙａｏｙａｏ　，ＬＥＩ　Ｇｕｉｑｉｎ　，ＷＵ　Ｊｕｎｑｉｎｇ　，ＹＡＮＧ　Ｍｉｎｊｉａｎ　（１　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ　２６６５１０；２　Ｌｉａｎｙｕｎｇａｎｇ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｌｉａｎｙｕｎｇａｎｇ　２２２００６）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｈｙｄｒｏｇｅｎ－ｓｔｏｒａｇｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ａｂｓｏｒｂｉｎｇ　ａｎｄ　ｄｉｓｒｏｂｉｎｇ　ｈｙｄｒｏｇｅｎ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｋｉｎｅｔｉｃｓ　ｏｆ　ｍｅｔａｌ　ａｌ—　ｌｏｙｓ　ａｎｄ　ｃａｒｂｏｎ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｃａｔａｌｙｔｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ａｃｔｉｖｅ　ｍｅｔａｌ（Ｎｉ，Ｐｄ，Ｌｉ　ａｎｄ　Ｋ）ｏｎ　ｂｙｄｒｏｇｅｎ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｏｆ　ｃａｒｂｏｎ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ａｎｄ　ｈｙｄｒｏｇｅｎ－ｓｔｏｒａｇｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　Ｍｇ　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｗｉｔｈ　ｃａｒｂｏｎ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ，　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｍｕｌｔｉ—ｗａｌｌｅｄ　ｃａｒｂｏｎ　ｎａｎｏｔｕｈｅｓ，ｃａｒｂｏｎ　ｎａｎｏｆｉｂｒｅｓ，ａｃｔｉｖｅ　ｃａｒｂｏｎ，ａｎｔｈｒａｃｉｔｅ　ａｎｄ　ｇｒａｐｈｉｔｅ，ａｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ａｎ—　ｔｈｒａｃｉｔｅ　ａｎｄ　ｇｒａｐｈｉｔｅ　ｗｈｉｃｈ　ａｒｅ　ｈｉｇｈ　ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ，ｂｒｏａｄｌｙ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ｐｒｉｃｅ，ａｎｄ　ｌｉｇｈｔ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ（Ｌｉ，Ｎａ，Ｍｇ，Ａ１，Ｂ　ａｎｄ　ＳＯ　ｏｎ），ａｒｅ　ｄｅｅｍｅｄ　ｔｏ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ａｓ　ｈｙｄｒｏｇｅｎ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｌ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｉｓ　ｐｏｉｎｔｅｄ　ｏｕｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｈｙｄｒｏｇｅｎ－ｓｔｏｒａｇｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ，ｍｅｔａｌ　ａｌｌｏｙ，ｃａｒｂｏｎ　ｎａｎｏ—ｍａｔｅｒｉａｌ，ｈｙｄｒｏｇｅｎ－ｓｔｏｒａｇｅ　ｄｅｎｓｉｔｙ　

氢气储存技术的研究与应用随着工业和人类生活的不断发展，对能源的需求量越来越大，同时也出现了很多环境问题。

作为全球最重要的能源之一，氢能源也逐渐受到人们的关注。

氢气储存技术是氢能源研究的重要组成部分，其研究深入和应用广泛，不断发展。

本文将对氢气储存技术的研究现状和应用前景进行探讨。

1. 氢气储存技术的研究现状氢气的物理性质和化学性质都非常特殊，对储存方式造成了很大挑战。

目前，氢气储存技术主要包括物理吸附法、化学吸附法、液态储存法、固态储存法等。

各种氢气储存技术都有其优缺点，需要根据实际应用进行选择。

以下将分别介绍这几种氢气储存技术。

1.1 物理吸附法物理吸附法是利用某些材料对氢分子的物理吸附力，将氢气吸附在固体储存材料中，从而实现氢气储存的技术。

物理吸附材料一般是多孔材料，如碳纳米管、硅材料等。

碳纳米管等材料表现出了很好的氢吸附性能，但是其制备成本较高，且生产难度较大。

此外，物理吸附法的主要问题是吸附热较大，氢气放气速度缓慢，吸附材料的稳定性和可靠性也存在一定的问题。

1.2 化学吸附法化学吸附法是利用催化剂对氢分子的化学吸附能力，实现氢气储存的技术。

化学吸附材料包括金属氢化物、金属有机框架、金属-有机配合物等。

金属氢化物的氢化反应比较稳定，但是其操作温度较高；金属有机框架材料致密，吸附容量较大，但是其操作温度过低受到限制。

化学吸附法的优点是从分子层面实现氢气的储存，具有高储氢密度、低分子量等特点，但是其运行复杂度较高，催化剂的稳定性和失活问题也是需要面对的难题。

1.3 液态储存法液态储存法是利用液态储存剂将氢气储存为液态氢气的技术。

液态氢气具有较高的储氢密度和理想的释放储氢性质，但是也具有其本身的缺陷，需要通过压缩氢气来提高储氢密度，同时还会有液态氢的挥发问题。

此外，液态氢气的制备和储存操作也具有一定的难度和安全隐患。

1.4 固态储存法固态储存法是利用膨胀的合金储存氢气的技术，该技术基于合金在吸氢过程中体积的增大。

氢气储运技术的发展现状与展望一、液态氢存储技术液态氢存储技术是一种高效的氢气储存方式，具有储存密度高、安全性好等优点。

目前，液态氢主要通过低温液化实现储存，但低温液化需要消耗大量能源，且储存和运输过程中存在较大的安全隐患。

因此，未来的研究方向包括开发高效、安全的液态氢储存和运输技术，提高储存密度和降低能耗。

二、固态氢存储技术固态氢存储技术是一种新兴的氢气储存方式，其利用固态材料将氢气吸附储存，具有储存密度高、安全性好、操作简便等优点。

目前，固态氢存储技术仍处于研究阶段，但随着研究的深入，其有望成为未来氢气储存的重要发展方向。

未来的研究方向包括开发高效、安全的固态氢储存和释放技术，以及探索大规模应用的可能性。

三、管道氢输送技术管道氢输送技术是一种高效、安全的氢气输送方式，具有输送量大、损耗低等优点。

目前，管道氢输送技术已在部分地区得到应用，但仍存在管道建设和运营成本高、技术难度大等问题。

未来的研究方向包括优化管道设计和建设技术，降低成本和提高可靠性。

四、长途氢气运输车长途氢气运输车是实现氢气大规模运输的重要工具，具有运输量大、灵活性强等优点。

目前，长途氢气运输车在技术和规模上仍存在较大挑战，如车辆续航里程、载重能力、加注速度等。

未来的研究方向包括提高长途氢气运输车的性能和可靠性，降低运输成本。

五、加氢站建设与运营加氢站是实现氢气应用的重要基础设施，其建设和运营涉及到安全、环保、经济等多方面因素。

目前，加氢站建设和运营仍存在诸多挑战，如设备成本高、技术难度大、运营效益低等。

未来的研究方向包括优化加氢站设计和运营模式，提高设备性能和降低成本。

六、氢气储存安全问题氢气储存安全是储运过程中的重要问题，涉及到泄漏、爆炸等安全风险。

因此，需要采取一系列措施保障氢气储存安全。

这些措施包括建立完善的储存设备检测和预警系统，制定应急预案并加强人员培训等。

此外，还需加强相关领域的安全研究，以不断提升氢气储存的安全水平。

Ｍｇ2Ｎｉ型贮氢合金的研究与展望摘要：报道了Mg2Ni型贮氢合金制备方法的研究进展。

对熔炼法、粉末烧结法、扩散法、机械合金化法和氢化燃烧合成法等几种主要方法制备Mg2Ni 合金的基本原理和方法进行了综述，并介绍了扩散球磨法、球磨扩散法和熔炼球磨法等制备技术的联用，总结了这些合金制备技术制取的合金的充放氢性能和电化学性能，并讨论了不同制备方法对合金性能的影响。

总结了目前改善Mg2Ni 型贮氢合金材料性能所用的主要方法，例如掺杂催化元素、制备复合材料、组元替代、表面化学镀等。

指出采用反应机械合金化法、储氢合金组元调整以及添加催化剂是改善性能最有效的途径。

关键词：Mg2Ni型贮氢合金；制备方法；掺杂催化元素；复合材料；组元替代；表面化学镀随着天然能源(如煤炭、石油和天然气等)的日益枯竭以及人类对环保意识的增强，开发清洁新能源己成为世界各国十分关注的热点问题。

氢是一种非常重要的二次能源，由于其资源丰富、发热值高，且不污染环境，因此针对氢的廉价制取、存储与输送的研究已是当今的重点研究课题。

储氢材料因为能可逆吸收和放出氢气，在氢的存储与输送过程中是一种重要的载体，加之氢及储氢材料均是“绿色”环保产品，对21世纪的新能源开发和环境保护将起着不可估量的作用。

镁基储氢合金具有吸氢量大(吸氢质量：MH2为7.6％)，镁镍系合金中有Mg2Ni(具有六方晶系构造)和MgNi2(c36型Laves相构造)两个金属间化合物，其中Mg2Ni合金可以吸收多达3.6％(质量)的氢形成Mg2NiH4(在高温下具有CaF2型立方晶(β’相)而在低温下为单斜晶(β相))氢化物相，这种氢化物相通常只有在250度以上的高温下才能放出氢气，电化学储氢容量高(理论值为965mA·H／g)、相对密度小(仅为 1.74g/cm3)、资源丰富、价格低廉和对环境负荷小等优点，己成为最具开发前途的储氢材料之一。

但镁及其合金作为储氢材料也存在吸放氢速度慢、温度高及反应动力学性能差等缺点，因而严重阻碍了其实用化的进程。

新型材料储氢合金的研究与发展状况摘要：储氢材料是伴随着氢能利用在最近三十多年才发展起来的新型功能材料。

它在氢能系统中作为氢的存储与输送的载体是一种重要的候选材料。

20世纪60年代，材料王国里出现了能储存氢的金属和合金，统称为储氢合金。

这些合金材料具有很强的捕捉氢的能力，它可以在一定的温度和压力条件下，氢分子在合金中先分解成单个的原子，而这些氢原子便“见缝插针”般地进入合金原子之间的缝隙中，并与合金进行化学反应生成金属氢化物，外在表现为大量“吸收”氢气，同时放出大量热量。

而当对这些金属氢化物进行加热时，它们又会发生分解反应，氢原子又能结合成氢分子释放出来，而且伴随有明显的吸热效应。

采用储氢合金来储氢，不仅具有储氢量大、能耗低，工作压力低、使用方便的特点，而且可免去庞大的钢制容器，从而使存储和运输方便而且安全。

氢与储氢材料的组合,将是21世纪新能源—氢能的开发与利用的最佳搭档。

关键词：镁基储氢合金; 机械合金化; 储氢性能; 复合材料前言：纵观历史长河，从最早的化石能源——煤炭、石油、天然气，到后来的蒸汽能、电能，乃至近代的太阳能、风能、水能、潮汐能和热能、生物能、核能等均为人类文明发展做出了不可估量的贡献。

但是，一方面化石燃料的储量有限，据估计[1],现有的石油资源按现在的开采速度到2050年将告耗尽，人类将面临着“世界能源危机”；另一方面，化石燃料作为能源材料造成全球生态环境污染日益严重；温室效应使气候变暖；风、涝、干旱等灾害频频发生，严重影响了人类生存和工、农、林、牧、渔业的发展，而且有愈演愈烈的趋势。

因此，能源和环境问题引起了世界各国的关注，纷纷采取切实措施，保护环境，开发新能源。

氢能正是一种在常规能源危机的出现后，人们期待的一种新的二次能源，而储氢合金材料正是装载氢能的最佳材料。

主题：一、氢能简介氢位于元素周期表之首，它的原子序数为1，在常温常压下为气态，在超低温高压下又可成为液态。

作为能源，氢有以下特点:(1)所有元素中，氢重量最轻。