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储氢材料原理解析与研究进展

氢是一种清洁的可再生能源。储氢材料作为一种可逆的氢元素存储材料，在现代及未来的应用十分广泛。对于储氢材料性质的研究，将会更好地推动我国相关研究领域的进步。

随着近年来我国经济的不断发展，能源消耗也在大幅度增加，化石能源储量减少，并产生一系列的环境问题，所以寻找一种安全可靠的绿色清洁能源是必然趋势，而氢元素一直是能源系列中的“宠儿”。由于氢能是一种可循环利用的清洁能源，将在我国能源转换中扮演重要角色。

近年来，氢能产业从行业圈内逐渐走向大众视野，被认为是具有发展潜力的新型产业。目前唯一存在的应用问题是氢能源的存储技术问题，为了解决这一问题，储氢材料正式问世，利用金属络合物储存氢能，其质量百分密度较高且具有一定的可逆性，实现了储氢材料的正式应用，而此类材料的具体应用也可以更好地推动相关领域的发展。

一、氢能的储存方式分析

氢能是目前发现的能源体系中储量丰富且无公害的清洁能源，是理想化石燃料替代品，而且氢能在燃烧后的生成物只有水，对我国实现“碳达峰”“碳中和”等目标具有重要意义。在氢能的应用体系中，氢能的存储制约了氢能走向实用化和规模化。为了解决这一问题，诞生了储氢材料理念。目前，有3种主要的储氢方式，分别为高压气态储氢、低温液态储氢和固态储氢。

1、高压气态储氢

高压气态储氢是目前应用广泛、相对成熟的储氢技术，即通过压力将氢气液化至气瓶中加以储存。该技术的优点在于，其充装释放氢气速度快，技术成熟及成本低。而其缺点在于：一是对储氢压力容器的耐高压要求较高，商用气瓶设计压力达到20MPa，一般充压力至15MPa；二是其体积储氢密度不高，其体积储氢密度一般在18～40g/L；三是在氢气压缩过程中能耗较大，且存在氢气泄漏和容器爆破等安全隐患问题。

2、低温液体储氢

为了解决高压气体储氢体积储氢密度低的问题，人们提出了液态储氢的概念，低温液态储氢将氢气冷却至-253℃，液化储存于低温绝热液氢罐中，储氢密度可达70.6kg/m3，体积密度为气态时的845倍。其优点是储氢密度高，输送效率高，体积占比小，安全系数高。但低温液态储氢也存在一系列的问题，如对储氢容器材料要求高，氢气液化过程成本高、能耗高等，因此不适合广泛使用，但可以作为航空燃料，并且已在航空领域发挥着巨大的作用。

3、固态储氢

固态储氢是以金属氢化物、化学氢化物或纳米材料等作为储氢载体，通过化学吸附和物理吸附的方式实现氢的存储。固态储氢具有储氢密度高、储氢压力低、安全性好和放氢纯度高等优势，体积储氢密度也高于液态储氢，其发展前景十分广阔。经过多年研究，主要包括物理吸附储氢和化学吸附储氢。虽然固态储氢有很多优点，但物理吸附储氢有常温或高温储氢性能差的缺点，其次是对温度要求高制约化学吸附储氢的发展。

二、储氢材料

1、物理储氢材料

物理吸附储氢是利用气体分子与固体表面之间存在着范德华力的相互作用，气态分子可以在表面产生富集。但这是一个弱相互作用，所以高比表面积的材料是物理吸氢的最佳材料，主要材料有碳基储氢材料、沸石、金属有机骨架化合物和共价有机化合物等。

1碳基储氢材料和沸石

碳基储氢材料因具有多微孔、高比表面积及吸附势能大等特点，而受到广泛关注，其储氢性一般通过调节材料的比表面积、孔道尺寸和孔体积来提高。主要的碳基材料有活性炭（高比表面积，约3000m2/g）、碳纳米纤维（高比表面积大，较多微孔，同时吸附和脱附速率快）和碳纳米管（表面结合各种官能团，储氢性能好）。沸石（又名分子筛）是具有规整的孔道结构和固定的孔道尺寸的微孔材料，其价格低廉，技术成熟，并且能够选择性地吸附气体，沸石结构上的差异会影响到材料的比表面积和孔体积，进而影响材料的储氢性能。

2金属有机骨架材料和共价有机化合物材料

金属有机骨架化合物（MOFs）是由金属氧化物与有机基团相互连接组成的一种规则多孔材料，其具有规律性、刚性、弹性和可设计性等性能。源于这些性能，MOFs成为优良的多孔材料。共价有机化合物材料也被称为COFs材料，是轻元素碳、氧和氮等以共价键连接而构建的有序多孔晶体材料。具有低密度、高比表面积及热稳定性高等优点，使得其更加有利于气体的吸附。虽然与MOFs相比，COFs具有更高的储氢性能，但在常温下储氢性能不理想。近年来，人们将碱金属离子引入COFs骨架，以提高COFs材料在室温下的储氢性能。

2、化学储氢材料

与物理储氢材料不同，化学储氢材料是氢以原子或离子的形式与其他元素结合而实现储氢。主要有金属氢化物储氢材料和金属配位氢化物储氢材料。

1金属氢化物储氢材料

金属氢化物储氢材料的制备技术和工艺相对成熟，且具有安全可靠、储氢能耗低和储氢容量高等特点，因此应用较为广泛。有些金属与氢结合形成氢化物是低沸点的挥发性化合物，不能作为储氢材料，例如SiH4、CuH等，目