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储氢材料概述与展望

背景：能源危机与环境问题

化石能源的有限性与人类需求的无限性－石油、煤炭等主要能源将在未来数十年至数百年内枯竭

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

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

实现氢能经济的关键技术

廉价而又高效的制氢技术

安全高效的储氢技术－开发新型高效的储氢材料和安全的储氢技术是当务之急

车用氢气存储系统目标：

IEA:（国际能源署）：质量储氢容量5%;体积容量50kg(H2)/m3

DOE（美国能源部）：质量储氢容量6.5%,体积容量62kg(H2)/m3

不同储氢方式的比较

气态储氢：能量密度低不太安全

液化储氢：能耗高对储罐绝热性能要求高

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

储氢材料技术现状

1金属氢化物

2配位氢化物

3纳米材料

金属氢化物储氢特点

反应可逆

氢以原子形式储存，固态储氢，安全可靠

较高的储氢体积密度

氢在晶体场中所占据的位置

金属氢化物储氢

目前研制成功的：

1.稀土镧镍系

2.钛铁系

3.镁系

4.钛/锆系

稀土镧镍系

代表：LaNi5,荷兰Philips实验室首先研制

特点：

活化容易

平衡压力适中且平坦，吸放氢平衡压差小

抗杂质气体中毒性能好

适合室温操作

经元素部分取代后的MmNi3.55Co0.75Mn0.47Al0.3(Mm混合稀土，主要成分La、Ce、Pr、Nd)广泛用于镍/氢电池

钛铁系

典型代表：TiFe，美Brookhaven国家实验室首先发明

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

实际使用时需对合金进行表面改性处理

镁系

典型代表：Mg2Ni，美Brookhaven国家实验室首先报道

储氢容量高

资源丰富

价格低廉

放氢温度高（250－300℃）

放氢动力学性能较差

改进方法：机械合金化－加TiFe和CaCu5球磨，或复合

钛/锆系

具有Laves相结构的金属间化合物

原子间隙由四面体构成，间隙多，有利于氢原子的吸附

TiMn1.5H2.5日本松下（1.8％）

活性好，储放氢相对容易

用于：氢汽车储氢、电池负极

配位氢化物储氢

碱金属（Li、Na、K）或碱土金属（Mg、Ca）与第三主族元素(B、Al)形成

储氢容量高

再氢化难(LiAlH4在TiCl3、TiCl4等催化下180℃，8MPa氢压下获得5％的可逆储放氢容量)

各种配位氢化物的储氢性能

纳米碳管储氢-美国学者狄龙1997首开先河

单壁纳米碳管束TEM照片

多壁纳米碳管TEM照片

碳纳米管吸附储氢电化学储氢

纳米材料与镧镍合金储氢容量的比较

原理图

循环连续充放电测试

多壁纳米碳管电极循环充放电曲线，经过100充放电后

保持最大容量的70％

单壁纳米碳管循环充放电曲线，经过100充放电后保持最大容量的80％

结束语---氢能离我们还有多远？

氢能作为最清洁的可再生能源，近10多年来发达国家高度重视，中国近年来也投入巨资进行相关技术开发研究

氢能汽车在发达国家已示范运行，中国也正在筹划引进

氢能汽车商业化的障碍是成本高，高在氢气的储存

液氢和高压气氢不是商业化氢能汽车－安全性和成本

大多数储氢合金自重大，寿命也是个问题；自重低的镁基合金很难常温储放氢、位氢化物的可逆储放氢等需进一步开发研究,

碳材料吸附储氢受到重视，但基础研究不够，能否实用化还是个问号

感谢聆听，批评指正！