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储氢材料

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储氢材料的分类及研究进展

储氢材料的分类及研究进展

储氢材料的分类及研究进展储氢材料是指能够吸收、存储和释放氢气的材料。

储氢技术是氢能应用的关键之一，可以有效解决氢能在储存和运输过程中的困难。

目前，储氢材料可分为物理吸附、化学吸附、金属氢化物和化学储氢材料等四大类。

物理吸附材料是最早被研究的储氢材料之一，其通过分子间相互作用力实现氢气的吸附。

常见的物理吸附材料包括活性炭、金属有机骨架（MOF）、碳纳米管等。

物理吸附材料具有分子均匀分散、重力失效等特点，但吸附能力较弱、脱附困难等问题限制了其实际应用。

化学吸附材料相较于物理吸附材料，通过化学键或电子云间相互作用来吸附氢气。

其可以分为配位化合物、氮碳化合物和碳负载的金属催化剂等。

化学吸附材料具有高吸附容量、可逆循环等优势，但存在中等温度下反应慢、再生困难等问题。

金属氢化物可通过吸氢和脱氢反应实现储氢。

根据金属和氢化物的反应性，可分为反应型、吸附型和固溶型金属氢化物。

金属氢化物储氢具有储氢容量大、实际应用广等优势，但存在反应速率慢、固脱附困难等问题。

化学储氢材料是一类以化学反应形式将氢气转化为其他物质来实现储氢的材料。

其可以分为金属烷基化物、金属氢化物和高温固态化合物等。

化学储氢材料具有储氢容量大、储氢速率快等特点，但由于反应副产物的处理问题，目前还存在一定的挑战。

近年来，储氢材料的研究进展主要集中在以下几个方面：1.新型材料的开发：通过合成新结构、新型配位化合物和金属有机骨架等材料，提高储氢材料的吸附容量和吸附速率。

2.改善储氢材料性能：利用催化剂改善物理吸附材料的吸附性能、通过控制金属氢化物的成分和微观结构来提高储氢性能，以及通过功能化修饰来改善化学吸附材料的再生性能。

3.界面优化：通过界面改性来提高吸附材料的吸附能力和实际应用效果。

4.储氢材料与载氢载体的设计：通过与载氢载体的复合来提高储氢材料的储氢性能，如储氢塔等。

5.储氢材料的实际应用：将储氢材料应用于氢能源领域，如氢气储存、氢能源驱动车辆等。

储氢材料

储氢材料

材料科学与化学工程学院
储 氢 材 料
The brief introduction of hydrogen storage materials
什么是储氢材料？
在一定的温度和压力条件下，能 可逆地吸收和释放氢气的材料，可 作为储氢材料。
储氢材料应具备的特点： 1、低释氢温度
2、吸收—放氢过程可逆
3、材料稳定，安全，无毒，低成本
储氢合金按组成元素的主要种类分为：镁系、稀土系、
钛系、锆系、铁系五大类。
按主要组成元素的原子比分为:AB5型、AB2型、AB 型、
A2B型，其中A是容易形成稳定氢化物的发热型金属元素，B 为难于形成氢化物的吸热型元素，且A原子半径大于B原子半 径。 A如：Ti、Zr、La、Mg、Ca、 Mm（混合稀土金属）等。
单壁纳米碳管束TEM 照片
多壁纳米碳管TEM 照片
2.2.2 碳纳米管材料的制备及研究方法 制备方法 电弧法 气相沉积法
低分子化合物
加载气（H2） 金属微粒催化剂
气相生长
1000~1400°C
碳纤维（或纳米管） 石墨化
2000~3000°C
表面处理
产品
石墨纤维 （或纳米管）
研究方法
有机液态氢化物主要包括苯、甲苯、萘等，人们现在主 要用苯及甲苯来储氢。
有机液体氢化物储氢的优、缺点
有机液体储氢技术与传统的储氢技术(深冷液化、金属氢化 物、高压压缩)相比具有以下优点：
①储氢量大 苯和甲苯的理论储氢质量分数分别为7.19%和 6.18%,比传统的金属氢化物、高压压缩的储氢量大得多。
MOF-5的吸附等温线78K
MOF-5的吸附等温线298K
温度、压力对其储氢性能的影响
储氢合金的吸氢原理

储氢合金的吸氢原理

储氢合金的吸氢原理
储氢合金是一种具有高储氢密度的材料，可以被用于氢能源的储存和运输。

它的吸氢原理是基于其晶格结构和化学成分。

一般来说，储氢合金可以分为两类：基于金属的合金和基于非金属的合金。

基于金属的储氢合金是由一种或多种金属元素组成的合金。

这种合金的氢储存能力主要是基于其金属原子之间的相互作用和晶格结
构的改变。

当氢分子接触到金属表面时，它们会被吸附并进入金属晶格中，产生一种金属-氢化物的化学键。

这种化学键能够稳定地储存氢分子，并在需要时释放出来。

基于非金属的储氢合金则是由非金属元素和金属元素组成的合金。

这种合金的氢储存能力主要是基于非金属原子之间的相互作用和亲和力。

例如，一些碳纳米管和石墨烯等非金属材料可以被用作储氢材料，因为它们的表面可以吸附氢分子并形成一种物理吸附的结构。

总体来说，储氢合金的吸氢原理是基于材料的化学成分和晶格结构。

通过设计和优化合金的结构和成分，可以提高其储氢能力，促进氢能源的应用和开发。

- 1 -。

钒基固态储氢与镁基固态

钒基固态储氢与镁基固态

钒基固态储氢与镁基固态储氢技术研究一、引言随着能源危机的日益严重，人们对新型能源的需求越来越高。

而氢能作为一种清洁、高效的新型能源备受关注。

但是，氢气具有极低的密度和体积，需要通过储存技术进行有效储存。

目前，固态储氢技术是一种备受关注的氢气储存方式。

二、钒基固态储氢技术1. 钒基材料概述钒基材料是一类可以吸附和释放氢分子的材料。

常见的钒基材料包括VH、VH2、V2H、V3H等。

其中，VH2是最为常见的钒基固态储氢材料。

2. 钒基固态储氢机制钒基固态储氢机制主要包括物理吸附和化学吸附两种方式。

物理吸附是指在表面上形成弱化学键，将分子吸附在表面上；而化学吸附则是指分子与材料表面发生强化学键结合。

3. 钒基固态储氢优点与缺点优点：①储氢量大，可达到6.5 wt%；②储氢温度较低，一般在-25°C 左右；③吸附和释放速度快。

缺点：①稳定性较差，易受到空气中水蒸气、氧等的影响；②循环寿命短，容易发生晶格变形和疲劳。

三、镁基固态储氢技术1. 镁基材料概述镁基材料是一类可以与氢分子发生反应生成MgH2的材料。

常见的镁基材料包括MgH2、Mg2Ni、MgH2+TiFe等。

2. 镁基固态储氢机制镁基固态储氢机制主要是指镁与氢分子发生反应生成MgH2。

这种反应需要加热或加压才能进行。

3. 镁基固态储氢优点与缺点优点：①稳定性好，不受空气中水蒸气、氧等影响；②循环寿命长，可达到1000次以上；③成本低廉。

缺点：①储氢量较小，一般在7 wt%左右；②储氢温度较高，一般在300°C以上；③吸附和释放速度慢。

四、结论钒基固态储氢技术和镁基固态储氢技术都有其独特的优点和缺点。

钒基固态储氢技术具有储氢量大、吸附和释放速度快等优点，但稳定性较差、循环寿命短。

而镁基固态储氢技术则具有稳定性好、循环寿命长等优点，但储氢量小、吸附和释放速度慢。

因此，在实际应用中需要根据具体情况选择不同的固态储氢技术。

储氢材料

储氢材料


2 M (固) + H 2 ( 气, p ) n
吸氢, 吸氢,放热 放氢, 放氢,吸热
2 MH n (固) − ∆H n
式中， 金属； 式中，M---金属； MHn---金属氢化物 金属 金属氢化物 P---氢压力；∆H---反应的焓变化 氢压力； 氢压力 反应的焓变化 反应进行的方向取决于温度 氢压力。 反应进行的方向取决于温度和氢压力。 取决于温度和
金属氢化物的相图
金属-氢系的相平衡 温度T 压力p 金属 氢系的相平衡由温度T、压力p和组 氢系的相平衡由 成成分c三个状态参数控制 成成分c三个状态参数控制。 控制。 用温度、压力、成分组成二元直角坐标可 温度、压力、成分组成二元直角坐标可 以完整地表示出金属 氢系相图 金属--氢系相图。 以完整地表示出金属--氢系相图。
然而，氢吸收元素和氢非吸收元素组成的 然而，氢吸收元素和氢非吸收元素组成的 合金，不一定都具备贮氢功能 贮氢功能。 合金，不一定都具备贮氢功能。 例如在 和 的金属间化合物中 的金属间化合物中， 例如在Mg和Ni的金属间化合物中，有 Mg2Ni和MgNi2。Mg2Ni可以和氢发生反应生 Ni可以和氢发生反应生 和 氢化物， 成Mg2NiH4氢化物，而MgNi2在100atm左右的 左右的 压力下也不和氢发生反应。 压力下也不和氢发生反应。
另外，作为 和 的金属间化合物 的金属间化合物， 另外，作为La和Ni的金属间化合物，除 LaNi5外，还有 还有LaNi，LaNi2等。 ， LaNi，LaNi2也能和氢发生反应，但生 ， 也能和氢发生反应， 成的La的氢化物非常稳定，不释放氢， 成的 的氢化物非常稳定，不释放氢，反应 的氢化物非常稳定 的可逆性消失了。 的可逆性消失了。
贮氢合金材料都服从的经验法则 贮氢合金材料都服从的经验法则是“贮 都服从的经验法则是 氢的吸收元素(IA—IVA族金属 和氢 族金属)和 氢合金是氢的吸收元素 氢合金是氢的吸收元素 族金属 的非吸收元素(VIA-VIII族金属 所形成的合 的非吸收元素 族金属)所形成的合 族金属 金”。 如在LaNi5里La是前者，Ni是后者；在 是前者， 是后者 是后者； 如在 是前者 FeTi里Ti是前者，Fe是后者。即，合金氢化 里 是前者 是前者， 是后者 是后者。 物的性质介于其 物的性质介于其组元纯金属的氢化物的性质 介于其组元纯金属的氢化物的性质 之间。 之间。
第三讲__储氢材料和氢能

第三讲__储氢材料和氢能


• 储氢合金可储存比其体积大1000-1300倍的氢，而且 合金中存储的氢表现为H与H+之间的中间特性，结 合力较弱，当合金氢化物受热时又可释放氢气。
0
LaNi H 56
T iF e H 1 .9
Hydrogen storage capacity (w t% )
1
2
3
4
5
1.4w t%
per weight
• 为改善TiFe合金储氢特性，可用过渡元素(M)置换部 分铁形成TiFe1-yMy(M=Cr、Mn、Mo、Co、Ni等)。 TiFe0.8Mn0.2 可 在 室 温 3MPa 氢 压 下 活 化 ， 生 成 TiFe0.8Mn0.2H1.05氢化物，储氢量达到1.9wt％。
32
–资源丰富，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
1.8w t%
M g NiH
2
4
3.6w t%
Carbon nanotube (RT,10MPa 氢 压 )
4.2w t%
0
1
2
3
4
5
Hydrogen storage capacity (w t% )
储氢合金的储氢量比较 26
• 储氢合金材料达到实用目的，必须满足下列要求：
储氢量大，能量密度高； 吸氢和放氢速度快； 氢化物生成热小；
器与高压(20MPa)钢瓶和深冷液化储氢装置相比， 在储氢量相等的情况下，三者质量比为1：1.4：
1.2，体积比为1：4：1.3； 储氢合金储氢无需高压或低温设施，节省能源； 氢以金属氢化物形式存在储氢合金中，安全可靠，
便于氢的运输和传递。
36
体积比较（储４kg的氢）
第5章_储氢合金

第5章_储氢合金

电池的总反应：
Ni (OH ) 2
1 充电 1 M NiOOH MH x x 放电 x
2. 储氢合金的电化学原理
镍氢电池的充放电原理
•充电时，负极吸收电
子；正极放出电子；
•放电时，负极放出电
子；正极吸收电子；
注意：规定的电流方向是 正电荷的运动方向，与电 子运动的方向相反；
正极：电势较高的电极； 阳极：发生氧化反应（失去电子）的电极； 负极：电势较低的电极； 阴极：发生还原反应（得到电子）的电极；
记忆效应小，使用更方便，寿命更长。 充电速度快，且能与Ni-Cd电池互换（工作电压均为1.2V）。
5.金属储氢材料的应用
5.1 Ni-MH二次电池
储氢合金用作镍氢电池电极的基本要求： 可逆性吸氢、放氢量大； 合适的室温平台压力； 在碱性电解质溶液中具有良好的化学稳定性，电极寿命长；
良好的电催化活性；
2. 储氢合金的电化学原理
镍氢电池负极（储氢合金）上的电极反应机理
（1）水通过对流或扩散，液相传质 到电极的固－液界面；
H 2Ob H 2Os
（2）电极表面电子转移；
H 2Os e H ad OHs
（3）吸附的氢转化为吸收的氢；
H ad H abs
OH-的液相传质：
OHs OHb
新型金属材料第5章储氢合金南京理工大学材料科学与工程系引言能源危机太阳能地热风能环境危机开发新能源氢能本章主要内容金属储氢原理1储氢合金的电化学原理2储氢合金分类与特点4金属储氢材料的应用5金属储氢材料应具备的特点3氢能的优点
新型金属材料
第5章 储氢合金
南京理工大学材料科学与工程系
引言
能源危机 开发新能源 环境危机
储氢材料

储氢材料

人们研究了苯在Pt 电极上的ECH反应
2.2.1 碳纳米管储氢材料简介
碳纳米管(CNTs，Carbon Nanotubes )是一种主要由碳
六边形弯曲处为碳五边形和碳七边形组成的单层或多层纳米
管状材料。
1991年日本NEC公司的Iijima教授最先发现了碳纳米管。
碳纳米管分为单壁碳纳米管（SWNT）和多壁碳纳米管
（MWNT）。
b.熔体冷却条件
冷却类型：正常冷却（NC）
快速冷却（FC） 迅速淬冷（RQ） 部分RQ合金在950°C下退火12h（RQ/HT）
高 倍 率 放 电 效 率 70
68
67 64
（ 5c\0.2c
60 RQ/HT
冷却速度对电极的高倍率放电效率（HRDE）的影响
2.2 碳纳米管材料
氢化物
吸氢量/%(质量)
AB5
LaNi5 MmNi5 CaNi5 Ti1.2Mn1.8 TiCr1.8 ZrMn2 ZrV2 TiFe Mg2Ni
AB2
AB A2B
2.1.2 金属储氢材料的制备及研究方法
制备方法
传统熔炼法
氢化燃烧合成法 （HCS法）
还原扩散法
传统熔炼法
原材料 表面清理 感应熔炼
MOF-5的吸附等温线78K
MOF-5的吸附等温线298K
温度、压力对其储氢性能的影响
2.4 有机液体储氢
2.4.1 有机液体储氢材料简介
有机液体氢化物储氢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。加氢反应实现 氢的储存(化学键合),脱氢反应实现氢的释放。不饱和有机 液体化合物做储氢剂,可循环使用。
性能检测 注：虚线框为不一定处理工序
第5章_储氢合金

第5章_储氢合金


氢浓度
最大吸入量
储氢合金吸放氢的p-c-T曲线
1. 金属储氢原理
储氢合金p-c-T曲线的特点：
温度较低，平台压降低，反应平台较宽；
温度高，平台压较高，反应平台较窄；
p-c-T曲线重要参数：
平台压； 平台宽度； 平台起始宽度；
平台滞后：吸氢时较高，放氢时较低。
1. 金属储氢原理
平衡氢压与温度的关系
电池的总反应：
Ni (OH ) 2
1 充电 1 M NiOOH MH x x 放电 x
2. 储氢合金的电化学原理
镍氢电池的充放电原理
•充电时，负极吸收电
子；正极放出电子；
•放电时，负极放出电
子；正极吸收电子；
注意：规定的电流方向是 正电荷的运动方向，与电 子运动的方向相反；
正极：电势较高的电极； 阳极：发生氧化反应（失去电子）的电极； 负极：电势较低的电极； 阴极：发生还原反应（得到电子）的电极；
（2）抗杂质气体中毒能力差；
（3）反复吸氢后性能下降。
4.储氢合金分类与特点
4.4 A2B型储氢合金（以TiFe合金为例）
主要是镁系储氢合金，以Mg2Ni为代表。 优点：密度小，储氢容量高，资源丰富，价格低廉。 缺点：Mg的吸放氢条件比较苛刻，反应温度300-400oC， 2.4-40MPa才能生成MgH2，反应速度较慢。 应用：车用动力型电池。
记忆效应小，使用更方便，寿命更长。 充电速度快，且能与Ni-Cd电池互换（工作电压均为1.2V）。
5.金属储氢材料的应用
5.1 Ni-MH二次电池
储氢合金用作镍氢电池电极的基本要求： 可逆性吸氢、放氢量大； 合适的室温平台压力； 在碱性电解质溶液中具有良好的化学稳定性，电极寿命长；
镁合金储氢

镁合金储氢

镁合金储氢
镁合金储氢是一种新型的储氢材料，它将镁与其他金属合金化，形成一种可吸氢的材料，在氢气储存领域具有很大的应用前景。

目前，传统的氢气储存方法包括压缩氢气和液态氢气储存。

但是，这些方法存在着储氢密度低、成本高、安全性问题等诸多缺陷。

而镁合金储氢材料具有储氢密度高、重量轻、环保、可再生等优点，在未来的氢能领域中将会发挥巨大的作用。

镁合金储氢的原理是，当氢气与镁合金接触时，会发生化学反应，将氢气吸附在镁合金表面形成氢化镁。

这种反应是可逆的，当需要释放氢气时，只需将氢化镁加热，即可释放出储存在其中的氢气。

为了实现镁合金储氢的应用，科学家们正在进行大量的研究和开发工作。

一些研究者还尝试将镁合金与其他材料进行复合，以提高储氢性能。

总之，镁合金储氢作为一种新型的储氢材料，具有很大的潜力和应用前景。

未来，科学家们将会不断拓展其应用范围和性能，为推动氢能技术发展做出更大的贡献。

- 1 -。

第三章化学储氢材料ppt课件

第三章化学储氢材料ppt课件

❖ 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！！！
❖ 人类的出路何在？－新能源研究势在必行！！！
9
开发高能、洁净的新能源
10
太阳能 生物质能
11
潮汐能
地热能
风能
12
氢的简介
氢的发现：1766年，亨利.卡文迪什在自己家中建
立实验室，测出水银上方的易燃气体，并正确
20
体积比较
21
1.3、 贮氢材料定义
贮氢材料(Hydrogen storage materials)是 在通常条件下能可逆地大量吸收和放出氢气 的特种金属材料。
贮氢材料的作用相当于贮氢容器。
贮氢材料在室温和常压条件下能迅速吸氢(H2) 并反应生成氢化物，使氢以金属氢化物的形式贮 存起来，在需要的时候，适当加温或减小压力使 这些贮存着的氢释放出来以供使用。
储氢材料概述
1
2
3
目前、石油和天然气，它们经历了上亿年的时 间才得以生成，因此是不可在生能源。
从探明的储量分析，现在地球上的煤炭、石油 和天然气的总储量分别为：
石 油：1万亿桶
天然气：120万亿立方米
煤 炭：1万亿吨
4
按照全世界对化石燃料的消耗速度计算，这些能源 可供人类使用的时间大约还有：
氢可成为金属态。固体氢的用途：冷却器、高
能燃料、高能炸药。
14
1.2、氢能开发，大势所趋
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

储氢金属材料国内外研究现状

储氢金属材料国内外研究现状从本世纪六十年代中期，国内外就开始了用金属氢化物作为储氢介质的研究，最终目的是为了解决氢能源的贮存问题，其研究的主要目标是寻找比重小、储氢量大、使用寿命长、能在常温下吸放氢和价格便宜的储氢材料。

储氢材料在能源、环保等领域（如Ni-MH电池和燃料电池等方面）都有重要应用价值。

目前研究较多的储氢材料仍是金属氢化物，而且发展较快。

主要有：以LaNi5为代表的AB5型稀土系储氢材料，以ZrM2、TiM2（M=Mn、Ni、V等）为代表的AB2型Laves相储氢材料，以Ti-Fe 为代表的钛系AB型储氢材料，以Mg2Ni为代表的镁系A2B型储氢材料。

近期很多研究工作者已将研究重点放在镁基储氢材料的研究上，主要是因为镁首先是地壳中含量最丰富的元素之一，居第八位，约占地壳重量的2.35%，而我国含镁矿物储量又是最多的几个国家之一，这就为大规模应用储氢材料提供坚实的物质保证；其次镁的储氢容量大，理论上可达到7.6mass%H。

镁基储氢材料以Mg及MgH2的吸放氢为基础，它们与氢的反应速度慢，氢化物的分解温度高(0.1MPa 时为560K)，而且镁的表面常常覆有一层氧化膜，从而严重的妨碍了氢原子吸附，难以活化，极大的限制了实际应用，要解决此问题，现在比较有效的方法是将镁基合金纳米化复合化。

实际上就储氢材料的制备技术而言，目前有很多种方法，如熔盐保护法、金属熔炼法、置换扩散法、包覆法、机械合金化法、高压气体雾化法、氢化燃烧法、真空快淬方法等。

近来由于机械合金化方法能够很好地改善材料的吸放氢性能而备受关注，但是其存在耗时耗能，同时在产物中引入杂质，导致费用过高、产量低、规模小等不足。

利用物理场下制备储氢合金的报到不多，对于制备镁基储氢合金研究更是少之又少。

实际上，外加物理场处理技术制备合金材料时利用金属和物理场的相互作用，可以改善其性能。

该技术具有环境友好、操作简便等优点。

目前该领域的研究热点主要集中在以下3个方面：1）让电流通过金属熔体，即电流处理；2）让金属熔体在磁场中凝固，即磁场处理；3）对金属熔体进行超声波处理。

纳米储氢材料的制备与应用研究

纳米储氢材料的制备与应用研究一、纳米储氢材料概述纳米储氢材料是指具有大比表面积、高密度氢质量、针状或多孔结构的材料。

目前常用的纳米储氢材料有活性炭、氧化物、金属有机骨架材料（MOF）等。

这些材料可以通过特定工艺制备，以提高其储氢性能，应用于氢能源存储、传输和利用等领域。

二、纳米储氢材料的制备1. 活性炭制备活性炭是一种常见的纳米储氢材料，制备方法通常包括碳化、氧化、活化等步骤。

其中，碳化是指将有机物转化为炭质材料的过程，氧化是指将碳质材料氧化为含氧组分的材料，活化是指在一定温度下用氧化剂或Carboneous源使材料表面溶解，形成大量孔洞。

2. 氧化物制备氧化物通常指金属或硅等元素与氧化合物形成的物质，如Al2O3、TiO2等。

在制备过程中，通常采用溶胶凝胶法或水热法等方法。

其中，溶胶凝胶法是指将有机物或无机物与水或其他环境中的物质混合，形成网状凝胶体后，经高温或高压缩成制品的方法。

水热法是指通过溶解金属离子并在一定温度下进行反应，形成氢氧化物或氧化物制品的方法。

3. 金属有机骨架材料制备金属有机骨架材料是一种通过金属离子与有机分子形成稳定的骨架结构，并在骨架空隙中填充储氢材料的材料。

目前，制备金属有机骨架材料的方法包括溶液或气相合成法、模板法、绿色化学法等。

三、纳米储氢材料应用研究1. 氢能源存储纳米储氢材料在氢能源存储中具有广泛应用。

目前，纳米储氢材料在氢气液化、压缩和固态储氢等多种形式的氢储存中都得到了应用。

例如，在氢气液化中，富勒烯和活性炭等材料可以作为填充材料来提高氢气的密度；在氢气压缩中，金属有机骨架材料可以作为填充材料来提高氢气储存密度。

2. 氢能源传输纳米储氢材料在氢能源传输中也得到了应用。

目前，在氢燃料电池技术中，纳米储氢材料可以作为电极材料来提高燃料电池的效率和稳定性。

3. 氢能源利用纳米储氢材料在氢能源利用中也具有广泛应用。

目前，氢燃料电池等技术已被用于汽车等领域，并得到了广泛关注。

储氢材料的要求

储氢材料的要求
存储氢材料是当今世界可再生能源的关键部分，它的发展对维持能源安全至关重要。

存储氢材料是用来储存和转化氢能源的重要元素，它可以改善能源利用效率，并减少环境污染。

存储氢材料的主要类型包括金属氢化物、非金属氢化物、碳基材料、氢储存膜和氢储存吸附剂。

金属氢化物是最常用的存储氢材料，它们具有较高的储氢容量和较低的成本。

非金属氢化物也被广泛应用于储氢，它们具有较高的储氢容量和较低的毒性。

碳基材料可以储存大量的氢，具有较高的热稳定性，但其成本较高。

氢储存膜可以在高温、高压和反应环境下储存氢，但它的储氢容量较低。

氢储存吸附剂具有较高的储氢容量，但其成本较高。

存储氢材料的要求是它们可以安全、高效地储存氢。

它们应该具有较高的储氢容量，较低的成本，较好的热稳定性和耐腐蚀性，以及较低的毒性，使得存储氢材料可以在高温、高压和反应环境下安全可靠地储存氢。

此外，存储氢材料还应具有良好的控制特性，能够实现快速、安全、可靠的氢发射和收集，以及可控制的氢流量，使得存储氢能够在长时间内稳定地存储和转化氢能源。

可见，存储氢材料是当今可再生能源的关键部分，是维持能源安全的重要因素。

在存储氢材料的要求方面，它们应具有
较高的储氢容量、较低的成本、较好的热稳定性、耐腐蚀性和低毒性，以及良好的控制特性，使得存储氢材料可以安全、高效地储存和转化氢能源。

高考中的“储氢材料”

高考中的 储氢材料仝㊀鹏(陕西省西安市庆华中学㊀７１００２５)摘㊀要: 新能源的开发与利用 是高中化学教学的重要组成部分ꎬ引导学生了解 储氢材料 的研究方向与现状是高中化学教师义不容辞的责任.本文就教学和高考中涉及的 储氢材料 知识点进行归纳和总结ꎬ供各位同行借鉴和交流.关键词:高考ꎻ化学ꎻ储氢材料中图分类号:Ｇ６３２㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀㊀㊀㊀文章编号:１００８－０３３３(２０１９)０７－００９５－０２㊀㊀ 储氢材料 ㊁ 储氢金属 等名词近年来在高考理综试题中频频出现ꎬ学生平常的练习题中也开始屡见不鲜ꎬ笔者通过查阅资料ꎬ结合自己多年的教学感悟ꎬ搜集整理出有关概念和在高考中的应用ꎬ供我们一线同行拓展㊁分享.㊀㊀一㊁储氢材料简介１.发展背景众所周知ꎬ氢气是公认的最具发展潜力的清洁能源ꎬ世界上许多国家和地区非常重视氢能的研究㊁开发与利用.但由于氢易燃易爆难液化ꎬ如何妥善解决氢能的贮存和运输问题也就成为制约氢能开发的关键ꎬ传统的储氢手段如高压气态储氢㊁低温液态储氢等存在单位体积存储量低㊁安全隐患大等问题.在这种背景下ꎬ探索新型储氢方式成为科技工作者的研究热点ꎬ研究成果突飞猛进ꎬ日新月异.２.储氢机理目前主要新型储氢方式是利用储氢材料储氢ꎬ主要包括储氢合金储氢㊁配位氢化物储氢㊁碳质材料储氢㊁有机液体氢化物储氢㊁多孔材料储氢等.储氢材料属于金属材料ꎬ金属材料中的化合物与化学中的化合物是完全不同的概念.比如Ｆｅ３Ｃ㊁ＶＣ等就不符合化合价规律ꎬ至于储氢材料中的金属氢化物ꎬ有两类:其一是由Ⅰ和Ⅱ主族与氢作用ꎬ形成离子型氢化物ꎬＨ以负离子嵌入金属离子间形成.其二是Ⅲ和Ⅳ族过渡族金属生成金属型氢化物ꎬＨ以正离子固溶于金属晶格间隙形成.储氢合金在一定温度和压力下ꎬ能可逆地吸收㊁储存和释放氢气ꎬ目前应用广泛.储氢合金目前三种: (１)镁系储氢合金以Ｍｇ２Ｎｉ为基础的储氢合金. (２)稀土系储氢合金是以ＬａＮｉ５为典型代表.在稀土金属中加入某些第二种金属形成合金后ꎬ能够在较低温度下实现吸氢ꎬ人们通常将这种合金称为稀土储氢合金.(３)钛系储氢合金有钛铁系合金以ＴｉＦｅ合金为主㊁钛锰系合金以ＴｉＭｎｌ.５为主.在金属材料中ꎬ只有正常价化合物才符合化合价规律ꎬ其他的像电子化合物㊁间隙化合物㊁间隙相都不符合化合价规律ꎬ因此ꎬ不能够用化合价来评价.所以ꎬ化合价这个词不能够推而广之.碳质储氢材料是通过吸附作用进行储氢的ꎬ是一种物理储氢方法.碳质储氢材料目前主要研究使用的是比表面积比较高的活性炭㊁石墨纳米纤维和碳纳米管.比表面积高的活性炭ꎬ单位质量表面积比常规活性炭大得多ꎬ吸附储氢性能自然也较常规活性炭优越.在适度压力㊁低温条件下ꎬ活性炭吸氢量随温度的降低而急剧增大.高比表面积活性炭由于吸氢量大㊁可重复使用ꎬ具有良好的应用前景.碳纤维储氢的原理与高比表面积活性炭有类似之处ꎬ其内部中空ꎬ表面则形成很多分子尺寸的微孔ꎬ导致很大的比表面积.碳纳米管内部结构主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管ꎬ由于重量轻ꎬ且具有独特的中空结构ꎬ应用于储氢效果显著ꎬ储存的氢气的密度堪比液态和固态氢.络合物储氢材料目前研究最广泛的络合物储氢材料主要为ＮａＡｌＨ４ꎬ在温度超过２００ħ时ꎬＮａＡｌＨ４能够分解出氢气ꎬ理论计算的氢气放出量约为６.９％.如能克服温度的影响ꎬ实现较低温度下的反应可逆化ꎬ就能通过ＮａＡｌＨ４来实现吸放氢过程.㊀㊀二㊁典型高考题赏析例１㊀(浙江理综ꎬ２０１４－１１)混合动力汽车目前使用的一种主要电池类型是镍氢电池(ＮｉＭＨ).ＮｉＭＨ中的Ｍ表示储氢金属或合金.该电池在充电过程中的总反应方程式是:Ｎｉ(ＯＨ)＋Ｍ ＮｉＯＯＨ＋ＭＨ已知:６ＮｉＯＯＨ＋ＮＨ３＋Ｈ２Ｏ＋ＯＨ－ ６Ｎｉ(ＯＨ)２＋ＮＯ－２下列说法正确的是(㊀㊀).Ａ.ＮｉＭＨ电池放电过程中ꎬ正极电极反应式为:ＮｉＯＯＨ＋Ｈ２Ｏ＋ｅ－ Ｎｉ(ＯＨ)２＋ＯＨ－Ｂ.充电过程中ＯＨ－从阳极向阴极迁移Ｃ.充电过程中阴极电极反应式:Ｈ２Ｏ＋Ｍ＋ｅ－ ＭＨ＋ＯＨ－ꎬＨ２Ｏ中的Ｈ被Ｍ还原Ｄ.ＮｉＭＨ电池中可以用ＫＯＨ溶液㊁氨水等作为电解质溶液答案:Ａ试题分析㊀题干中涉及到储氢材料ꎬ选项中并没有考查储氢原理ꎬ典型的高起点㊁低落点ꎬＡ㊁Ｂ㊁Ｃ选项考查的是原电池最基本原理ꎬ即正极发生氧化反应㊁充电时阴离子向阳极移动㊁充电时水中的Ｈ被电极上的ｅ－还原ꎬ电极反应式为:Ｈ２Ｏ＋Ｍ＋ｅ－ ＭＨ＋ＯＨ－.Ｄ选项的信息在题目中有所提示ꎬ氨水能与电极材料ＮｉＯＯＨ反应ꎬ不能作电解质溶液ꎬＤ项错误ꎬ充分体现了课程目标.例２㊀(大纲全国ꎬ２０１４－９)在航天上使用的一种金属氢化物镍电池(ＭＨ－Ｎｉ电池)是在高压氢镍电池基础上发展起来(右图).下列有关该电池的说法不正确的是(㊀㊀).Ａ.放电时正极反应为:ＮｉＯＯＨ＋Ｈ２Ｏ＋ｅ－ңＮｉ(ＯＨ)２＋ＯＨ－Ｂ.电池的电解液可为ＫＯＨ溶液Ｃ.充电时负极反应为:ＭＨ＋ＯＨ－ңＨ２Ｏ＋Ｍ＋ｅ－Ｄ.ＭＨ是一类储氢材料ꎬ其氢密度越大ꎬ电池的能量密度越高答案:Ｃ试题分析㊀解答本题必须具备一定的有关储氢金属的知识储备ꎬ储氢金属用化学式ＭＨ表示ꎬＭ和Ｈ均为零价ꎬ负极反应为:ＭＨ＋ＯＨ－－ｅ－ Ｍ＋Ｈ２Ｏꎬ正极反应为:ＮｉＯＯＨ＋Ｈ２Ｏ＋ｅ－ Ｎｉ(ＯＨ)２＋ＯＨ－ꎬ平常教学中不常见ꎬ电解液是否可用ＫＯＨ溶液则取决于电极材料ＭＨ和ＮｉＯＨ及其反应产物在碱性溶液中是否均能存在ꎬ只有了解ＭＨ才能知道遇碱不反应ꎬ从而判断出Ａ㊁Ｂ正确ꎻＤ选项随有氢密度㊁能量密度陌生概念ꎬ但比较好理解.充电时应该是阴阳级反应ꎬ阴极反应式为:Ｍ＋Ｈ２Ｏ＋ｅ－ ＭＨ＋ＯＨ－ꎬ概念清楚很容易判断出Ｃ错误.㊀㊀参考文献:[１]刘仕森.普通高中新课程方案的实施与探索[Ｍ].广州:广东省出版集团花城出版社ꎬ２００７.[２]钟启泉.普通高中新课程方案导读[Ｍ].上海:华东师范大学出版社ꎬ２００３.[３]叶澜.教师角色与教师发展新探[Ｍ].北京:教育科学出版社.２００１.[责任编辑:季春阳]铁及其化合物相关计算解析杨立超(黑龙江省大庆实验中学㊀１６３０００)摘㊀要:在必修一元素化学部分 铁及其化合物 一直以来都是高中化学的重要组成部分ꎬ其中关于 铁及其化合物 的计算题也是学生学习的重点和难点ꎬ下面笔者就 铁及其化合物 的相关计算的解题技巧和大家分享一下.关键词:铁及其化合物ꎻ计算ꎻ解析ꎻ高中化学中图分类号:Ｇ６３２㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀㊀㊀㊀文章编号:１００８－０３３３(２０１９)０７－００９６－０２㊀㊀例１㊀将一定量的Ｆｅ２Ｏ３溶于盐酸恰好完全反应ꎬ加入１１.２ｇ铁粉后(无剩余)ꎬ再加入ＫＳＣＮ溶液无血红色ꎬ求原试剂中的Ｆｅ２Ｏ３的质量.分析㊀最终的溶液加入ＫＳＣＮ溶液无血红色说明溶液中已经没有Ｆｅ３＋ꎬ只有Ｆｅ２＋.先和盐酸作用生成ꎬ然后加入的铁粉恰好和生成的Ｆｅ３＋完全反应.涉及到的离子反应:Ｆｅ２Ｏ３＋６Ｈ＋ ２Ｆｅ３＋＋３Ｈ２Ｏ２Ｆｅ３＋＋Ｆｅ ３Ｆｅ２＋根据以上离子方程式对应关系如下:。

储氢材料简介ppt课件

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三、储氢材料的研发
3.1.1 添加碳纳米管镁基材料的储氢性能 碳 碳12、、纳良具米纳米管：好有管的一优导定势热的：性吸和氢热性稳能定。性；
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三、储氢材料的研发
添加碳纳米管镁基材料的储氢性能
实验方法：球磨法（以氢气作为保护气体） 1）球磨过程：
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三、储氢材料的研发
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三、储氢材料的研发
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二、储氢材料的简介
氢能
氢能——利用氢燃烧时放出的热量作为能源。 氢能优势：
(1) 氢具有很高的燃烧值；
单位质量的氢气所含的化学能（142MJ/kg）至少是其他化学燃料 的三倍（例如，等质量的液体碳氢化合物是47MJ/kg）。 (2) 氢在氧气中燃烧只产生水，预计不会对环境产生负面影响，是一种 绿色的能源。
式中MH、为氢的固溶体相(a相)，MHy为氢化物相(p相)，△H。为氢 化物生成焙或氢化反应热。
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三、储氢材料的研发
金属或合金一氢体系吸放氢作用可用下图的气固反应过程来表示。
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三、储氢材料的研发
镁基材料的优势： (1)镁在地球上的储量丰富，储氢容量高（7.6wt%）; (2)价格低廉，被认为是一种很有发展前途的储氢材料; (3)镁可与氢气直接反应，在300-400℃和较高的氢压下， 反应生成MgH2。
蒸发损失； 对储槽绝热材料的要求高。
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二、储氢材料的简介
储氢方式比较
(c) 固态储氢 • 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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二、储氢材料的简介
储氢方式比较
体积比较：
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二、储氢材料的简介
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❖ 现在人们对碳纳米管的研究还处于初级阶段，至今不能 完全了解纳米孔中发生的特殊物理化学过程，即氢气吸 附机理和储氢行为，还无法准确测得纳米管的密度，即 应在储氢机理、化学改性和结构控制方面进行深入研究。
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５.金属化合物储氢
❖ 储氢合金：在一定的温度和压力条件下，一些合 金能够大量吸收氢气，反应生成金属氢化物同时 放出热量。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/释 放氢气的金属合金，被称为储氢合金。
❖ 活性炭作为特种功能吸附材料具有质轻，对少 量的气体杂质不敏感，并且原料丰富、比表面 积高、且可重复使用，微孔孔容大和容易进行 孔径控制、表面化学修饰和负载金属等优点。
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❖ 但从已有的应用研究证明，各种分子筛和超级活性炭均 达不到美国能源部要求（60kg/m3），近年来人们把研 究重点放在碳纳米管方面。
改变温度和压力条件可使反应按正向、逆向反复进 行，实现材料的稀释氢功能。
征
PCT曲线是储氢材料的重要特征曲线，它可反 映出储氢合金在工程应用中的许多重要特性，
(1) 可以了解金属氢化物中能含多少氢(%)和任一 温度下 的
分解压力值。
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（2）可以看出，金属氢化物在吸氢与释氢时，虽在同一温 度，但压力不同，这种现象称为滞后。作为贮氢材
第四章 贮氢材料
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❖
随着传统能源石油、煤的日渐枯竭，且石油、煤燃烧
产物CO2和SO2又分别产生温室效应和酸雨，使人类面临能源
和环境危机的双重挑战，寻找新的洁净能源已列入人们的议
事日程。
❖
氢是一种洁净能源，其燃烧值为1.43x108j/kg（煤
3×107J/kg 、煤气4.2×107J/Kg），氢能源系统作为一种
1. 做为保护气应用于电子工业中，如在集成电 2. 路、电子管、显像管等的制备过程中。 2. 在食品工业中，食用的色拉油就是对植物油进
行加氢处理的产物，植物油加氢处理后性能稳 定、易存放，且有抵抗细菌生长、易被人体吸 收之功效。
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3. 在合成氨工业中氢气是重要的合成原料之一。 4. 作为一种高能燃料，用于航天飞机、火箭等航天
7.2 wt.% H2
苯
环己烷
C7H8 ↔ C7H14
6.2 wt.% H2
甲苯
甲基环己烷
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❖ 一般反应前，先对H2进行加热处理，降至反应 温度。甲苯通过鼓泡方式与H2混合进入反应器中 反应。反应过程需要催化剂。
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４. 碳质材料储氢
❖ 碳质储氢是主要依据吸附理论建立起来的物理 储氢方法。包括活性碳和碳纳米管吸附储氢。 其吸附机理介于范德华力和化学键之间。
储氢合金吸收和释放氢的过程，最方便的表示方法
是压力—组成—等温（PCT）曲线。
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O一A: 为吸氢过程的第一步，金属吸氢，形成含氢固溶体；
A一B: 为吸氢过程的第二步，形成金属氢化物；
B点以后:为第三步，氢溶入氢化物形成固溶体，氢压增加。
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金属与氢的反应是一个可逆过程。 正向反应吸氢、放热，逆向反应释氢、吸热。
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❖ 储氢合金中，氢密度极高。金属氢化物的氢 密度与液态氢、固态氢的相当，约是氢气的 1000倍。
❖ 另外，一般储氢合金中，氢分解压较低，所 以用金属氢化物贮氢时并不必用耐压钢瓶。
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4.3 储氢合金的热力学原理
1 储氢过程 在一定温度和压力下，氢可与许多金属、合金和金属 间化合物生成金属固溶体MHx和 MHy,反应分三步进行:
储量丰富、无公害的能源替代品而倍受重视。
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❖ 如果以氢作为燃料，从原理上讲，燃烧后只能 生成水，这对环境保护极为有利。
❖ 氢作为一种气体来说，要作为新能源，还必须 解决氢的制备、储存和运输问题，寻找高效节能的 制氢方法和研制经济适用的储氢材料等。
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4.1 氢能开发
氢作为一种二次能源，其用途主要有几个方面:
行业及城市公共汽车中。目前, 我国已经开发 出以
压缩氢为燃料的城市公共汽车（清华大学）。 5. 氢被广泛的用于燃料电池中作为燃料。(储能高,
无污染)。
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在以氢作为能源媒体的氢能体系中，氢的 贮存与运输是实际应用中的关键。
贮氢材料就是作为氢的贮存与运输媒体而成为当 前材料研究的一个热点项目。
(1) 在合金吸氢的初始阶段形成固溶体（α相），合 金结构保持不变
M +x/2H 2 M H x
精品课件 MHx是固溶体
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（2） 固溶体进一步与氢反应生成氢化物（β相）
y 2xMxH H 2→ y2 -xMyH H
MHy是固溶体
生成热
（3）进一步增加氢压，合金中的氢含量略有增加
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2、金属氢化物平衡分解压与温度的关系
缩天然气、煤气技术相类似，只是由于氢的密度很
小、需要消耗的能量更多。对储氢容器材质要求高，
储存和使用安全性差，一般只用于实验室。目前已
作为被用于公交汽车。
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3 有机化合物储氢
❖ 有机化合物储氢主要是利用苯和甲苯的加 氢脱氢反应以达到吸放氢的目的，它们的储 氢密度高，但吸放氢工艺复杂。
C6H6 ↔ C6H12
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贮氢材料：在室温和常压条件下能迅速吸氢(H2) 或反应生成氢化物，使氢以氢化物的形式贮存起来， 在需要的时候，适当加温或减小压力使这些贮存着 的氢释放出来以供使用的材料。
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4.2 贮氢方法
贮氢方法大致分为5种：
液态贮氢 压缩贮氢 有机化合物贮氢 碳质吸附贮氢 金属化合物贮氢
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1 液态储氢
❖
即把氢气冷却到沸点以下成为液体加以存储。
由于氢气沸点极低(-252.77℃ )，所以，采用这种
方法储氢能耗大，成本高、储氢设备材质要求很高，
操作和使用条件苛刻，大都用于火箭、飞船和卫星
发射等高科技领域。
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2 高压储氢
❖
压缩储氢是最常用的氢气储存方式，氢气
被压缩后在气缸里以气体形式储存。这种技术和压
料， 滞后越小越好。
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3 吸储、放氢原理 改变温度和压力的条件,使反应正向或逆向进行 即可实现吸氢或放氢
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恒定温度：通过改变压力实现吸氢或放氢。将金属至于T1 温度，高于P1压力，金属会与氢反应生成氢化物，即金属 吸氢；低于P1的气氛中，氢化物发生分解释放出氢气。