储氢材料的研究进展.doc

储氢材料的研究进展 随着化石燃料资源的日渐匮乏和生态环境的不断恶化，发展清洁可再生能源成为了世界各国的重要课题，而氢能源被公认为人类未来的理想能源。氢能具有以下几大优点：一、氢是自然界中存在最普遍的元素，据估计它构成了宇宙质量的3/4。地球上除了空气中含有极少量氢气之外，它主要以化合物的形式存在于水中，而水储量约为?亿吨。据推算，若把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大9000倍。二、氢气本身无毒，燃烧时除生成水，不会像化石燃料那样产生大量烟尘及一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物等对环境有害的物质。三、除核燃料外，氢的燃烧值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，是汽油燃烧值的3倍，是焦炭燃烧值的4.5倍。四、氢燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高，燃烧速度快。五、氢用途广泛，可直接用作发动机燃料、化工原料、燃料电池、结构材料(固态氢)等。用氢代替石油，无需对现有技术装备做重大改造，现有的内燃机稍加改装即可使用。可以预见，未来世界将从以碳为基础的能源经济形态转变为以氢为基础的能源经济形态。在利用氢能的过程中，氢能的开发和利用涉及氢气的制备、储存、运输和应用四大关键技术，而氢的存储是氢能应用的难题和关键技术。美国能源署对储氢材料储氢制定了标准，遗憾的是目前为止还没有哪一种材料能满足这些要求，因此2009年制定必威体育精装版的储氢标准己经下调到2010年：4.5wt%、28g/L；2015年：5.5wt%、40g/L。 氢可以气态、液态和固态3种方式进行储存。目前储氢技术分为两大类即物理法和化学法。前者主要包括液化储氢、压缩储氢、碳质材料吸附、玻璃微球储氢等；后者主要包括金属氢化物储氢、无机物储氢、有机液态氢化物储氢等。传统的高压气瓶或以液态、固态储氢虽然目前应用较广，但缺点是不经济，安全性能也有待提高，不是未来储氢材料的发展方向。而使用储氢材料储氢能很好地解决这些问题。目前所用的储氢材料主要有金属及合金、碳材料、络合物等。 金属氢化物储氢 某些金属或合金与氢反应以金属氢化物形式吸氢，生成的金属氢化物加热后释放出氢气，利用这一特性就可有效地储氢。金属氢化物储氢，氢以原子状态储存于合金中。重新释放出来时，经历扩散、相变、化合等过程。 这些过程受热效应与速度的制约，不易爆炸，安全性强。金属氢化物的出现为氢的储存、运输及利用开辟了一条新的途径。以镁基储氢材料为例： 镁系储氢合金具有较高的储氢容量，而且吸放氢平台好、资源丰富、价格低廉，应用前景十分诱人。但其吸放氢速度较慢、氢化物稳定导致释氢温度过高、表面容易形成一层致密的氧化膜等缺点，使其实用化进程受到限制。镁基储氢合金的吸放氢动力学性能取决于两方面因素：(1)合金表面特性，与合金表面氧化层的厚度、合金表面不同成分对氢分子分解为氢原子的影响程度，以及氢原子穿过表面层进入合金基体的难易程度等因素有关；(2)合金基体的特性，与合金中的金属原子和氢原子的亲和力大小、氢原子在合金中的扩散速度，以及吸氢过程中产生微裂的难易等因素有关。改变合金表面特性的方法有高能球磨、氟化处理、碱处理以及添加合金元素等,其实质是清除合金表面的氧化层,或者形成具有高催化活性的新表面层，其中高能球磨在镁基合金中用得较多。Bouaricha等在Mg、Mg2Ni、Ti、V和TiFe中添加10%的石墨进行球磨后发现，这些材料的活化性能被大大改善。 金属氢化物储氢具有较高的容积效率，使用也比较安全，但质量效率较低。如果质量效率能够被有效提高的话，这种储氢方式将是很有希望的交通燃料的储存方式。该技术的发展方向主要是：(1)开发更轻、更便宜的金属材料；(2)加快金属氢化物对氢的充放过程，Jensen等发现使用催化剂可以显著加快反应进行；(3)减小由于频繁充放氢而对储存系统造成的损害；(4)可以考虑将金属氢化物和压缩储氢相结合，达到最佳的容积和质量储存效率。 二、稀土系合金? 以LaNi5为代表的稀土系储氢合金，被认为是所有储氢合金中应用性能最好的一类。它们一般都具有优良的吸氢特性和较高的吸氢能力，较易活化，对杂质不敏感，吸氢脱氢不需要高温高压，释放温度高于40°C时放氢很迅速，但价格较贵。? 金属间化合物LaNi5具有CaCu5的晶格结构，是六方晶格其中有许多间隙位置，可以固溶大量的氢。在室温下一个单胞可与6个氢原子结合，形成六方晶格的LaNi5H6，晶格体积增加了23.5％。LaNi5形成氢化物的ΔH=-30.93kJ／mol?H2，ΔS＝-108.68kJ／molH2。它初期氢化容易，反应速度快，20℃时的氢分解压仅几个大气压，吸—放氢性能优良。第三组元的添加可改变LaNi5氢化物的分解压力和生成热，LaNi4M系合金氢化物的分解压力按照M分别为Cr、Fe、Co、