浅谈储氢材料.docx

储氢材料的背景人类社会发展进步到今天，生活现代化了。但是由于资源的大量开发、使用，使人类面临着全地球的能源危机和环境污染问题。长期以来，地球上的主要能源煤炭、石油、天然气现在已面临枯竭的境地。在能源危机警钟响起时，人们把注意力集中到太阳能、原子能、风能、地热能等新能源上。但是要使这些自然存在形态的能量转变为人们直接能使用的电能，必须要把它们转化为二次能源。那么最佳的二次能源是什么呢?氢能就是一种最佳的二次能源。氢是地球上一种取之不尽的元素。用电解水法取氢就是氢元素的广阔源泉。氢是一种热值很高的燃料。燃烧1千克氢可放出62.8千焦的热量，1千克氢可以代替3千克煤油。氢氧结合的燃烧产物是最干净的物质-水，没有任何污染。未来最有前途的燃料电池也主要是以氢为能源。所以人们很自然地把注意力集中在氢能源的开发和利用上。要利用好氢能源。摆在人们面前的问题是如何把氢储存、运输和利用。氢的来源非常丰富，若能从水中制取氢，则可谓取之不尽、用之不竭。氢能的利用，主要包括两个方面：一是制氢工艺，二是储氢方法。传统储氢方法有两种，一种方法是利用高压钢瓶（氢气瓶）来储存氢气，但钢瓶储存氢气的容积小，瓶里的氢气即使加压到150个大气压，所装氢气的质量也不到氢气瓶质量的1，而且还有爆炸的危险；另一种方法是储存液态氢，将气态氢降温到253 0C变为液体进行储存，但液体储存箱非常庞大，需要极好的绝热装置来隔热，才能防止液态氢不会沸腾汽化。近年来，一种新型简便的储氢方法应运而生，即利用储氢合金（金属氢化物）来储存氢气。储氢材料的定义储氢材料是一种能够储存氢的材料，储氢材料是能与氢反应生成金属氢化物的物质，（狭义）具有高度的吸氢放氢反应可逆性；（广义）储氢材料是能够担负能量储存、转换盒输送功能的物质，“载氢体”、或“载能体”研究证明，某些金属具有很强的捕捉氢的能力，在一定的温度和压力条件下，这些金属能够大量“吸收”氢气，反应生成金属氢化物，同时放出热量。其后，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”氢气的金属，称为储氢合金。储氢材料的分类化学吸附材料金属氢化物及合金（如LaAlH4）复合氢化物（NaAlH4、NaBH4、LiBH4等）等物理吸附材料纳米碳材料沸石金属有机骨架化合物储氢材料储氢原理金属或合全为什么可以储氢，又如何把氢从合金电释放出来呢?人们通过研究，搞清了原因所在。金属或合金(用M代表)与氢作用可以生成金属氢化物(MHn)。其反应方程式为： M+nH2=MHn+H(生成热) 该反应是一个可逆过程、正向反应时，金属吸氢，并放出热量；逆向反应时，金属氢化物释氢，吸收热量。这样，只需要改变温度与压力，就能使反应向正向或逆向反复进行。达到金属(合金)储氢或释氢的日的。当然，不是任何金属或合金都只有上述的功能，所以发现合适的金属和合金是获得储氢材料的关键问题了。理想的、有使用价值的储氢合金，必须具备如下的条件：(1) 吸氢能力高，即能吸尽量多的氢；(2) 储氢时生成热应尽量小，便于释氢时的温度不必太高。而作为储存热量作用时，则生成热应该越高越好；(3) 储氢和释氢的速度都要求快；(4) 导热性能优良；(5) 对氧气、一氧化碳和水等杂质的抵抗力要大；(6) 化学稳定性好，经久耐用，不易产生破碎粉化；(7) 使用与运输时安全、可靠；(8) 来源广、价廉物美。储氢材料 - 储氢合金简介目前正在研究和已经使用的储氢合金有镁系合金、稀土系合金、钛系合金。另外，还有用于原子反应堆中的金属氢合物、非晶态储氢合金等也正在研究、探索。(一) 镁系合金镁系合金是最早研究和被使用的储氢合金。纯镁氢化物MgH2是惟一可在工业上使用的合金。它的资源丰富、价格便宜、密度低、储氢量大。但缺点是分解温度高达250，而且反应速度慢。这就使它的大量使用受到了影响。为了克服MgH2合金的缺点，先后研制出Mg2Ni和Mg2Cu储氢合金。Ni和Cu对镁氢化物的形成起了催化作用，从而使氢化反应速度提高。但是Mg与Ni形成Mg2Ni和MgNi2两种金属化合物，其中只有Mg2Ni可以吸氢，而且吸氢和释氢温度仍然较高，故反应速度还不够理想。为了克服Mg2Ni储氢合金的缺点，相继出现了用Al或Ca来置换Mg2Ni中部分Mg的新合金，使得吸氢和释氢的速度提高了许多。(二) 稀土系合金稀土系储氢合金以LaNi5为最典型的代表，是储氢合金中应用性能最好的一种。这种合金具有六方结构(CaCu5型)。它的最大优点是在室温下就可以氢化，吸氢释氢均较容易，且储氢密度高。但是它的缺点是价格太高，吸氢和释氢的速度不够快。为了让稀土系合金得到广泛的使用，开发研究了新的系列合金(多元合金)，主要有LaNi5三元系合金和MnNi三元系合金。LaNi5三元系合金是分别用A1、Mn、Cr、Fe、Cu、Pt等金属，替代LaNi5中的部分Ni，从而使储氢性能得到改善。MnNi三元系合金，是用混合稀土(Ce、La、Sm)代替了部分La，并且再分别加入A1、B、Cu、Si等元素，这样不仅降低了价格，而且又提高了合金储氢释氢的能力。(三) 钛系合金钛系储氢合金分为Ti-Fe系和Ti-Mn系两类。Ti-Fe系合金储氢量大，价格便宜，但缺点是活化困难，抵抗杂质能力差、容易中毒。可以用其他元素V、Cr、Mn，Co等代替部分铁组成二元合金，活性大为改善。Ti-Mn系合金中，以TiMn1.5二元合金的储氢性能最好，而且在室温条件下即能活化，反应速度快，反复吸释氢的能力强，而且价格便宜，所以是一种很受重视应用性奸的储氢合金。储氢材料 - 储氢合金的应用(一)制取储运氢气的容器用钢瓶储存氢气或液态氢的缺点颇多。而改用储氢合金制作储存氢气的容器，重量轻、体积小、储气密度高、不需要高压及储存液氢的极低温设备，能量损失很少，安全可靠。(二)制取高纯度氢气和回收氢一般工业用氢气中含有不同比例的N2、O2、CO2等杂质。利用储氢合金吸收氢的特性，再把氢气释放出来，使得氢气的纯度高达99.999 9以上。这个过程能量消耗不多，但达到了高纯化的作用。其中TiMn1.5和稀土储氢合金的效果最好，并且在仪器、电子、化工等行业上得到了广泛的应用。工业生产上排放的废气中不少是含有大量的氧气。据资料统计，我国合成氨工厂每年有10亿m3的氢气要排放到空中白白浪费了，利用储氢合金把这些含氢的废气进行分离、回收，可以节约大量的能源，不仅产生了好的经济效益，而且还会产生良好的社会效益。(三)氢能交通工具用储氧合金来制作飞机和汽车氢燃料发动机，虽然处于研究、试验阶段。但前景看好。氢能交通工具具有高的热效率，对环境无污染的优点。氢气是价廉又安全方便的二次能量。国外对氢燃料汽车进行了试验，用200kg的TiFe合金储氢，共行驶了130 km。目前存在的最大困难是储氧材料重量要比油箱重量大得多，影响车辆的速度。 (四)核反应堆中的使用氢的同位素氘在原子能工业中具有特殊的作用，可以制取重水(D2O)，作为核反应堆里的慢化剂和冷却剂。而且还是受控核聚变时的聚变原料。当核动力装詈中发生了氢、氘、氚的泄漏现象，将是十分危险之事，人根本无法进入现场。所以用储氢合金来吸收、去除泄漏的氢、氘、氚是一个理想的方法，可以确保安全。储氢材料还可以用来对氢、氘、氚进行分离，工艺简单，能耗少、效果好。(五)氢化物镍电池金属氢化物镍电池是取替镉-镍电池的一种无污染高功率新型碱性电池。目前已经进入了商品产业化。传统的镉-镍电池已不适应当现代社会发展的要求。首先是重金属镉对环境有严重的污染，对人体有毒害，而且价格非常高，性能也并不完美。家用电器、计算机的高速发展，对小型化高容量电池的需求量越来越多。电动白行车、电动汽车的发展也迫切希望用氢化物镍电池来代替传统的铅酸电池，以提高电池的能量密度，并减少对环境的污染。氢化物镍电池的工作原理是：氢化物(储氢合金)为负极，Ni(OH)2为正极，以KOH水溶液为电解质构成了Ni/MH电池。发生以下的反应：正极：Ni(OH)2+OH-=NiOOH+H2O+e负极：M+nH2O+ne=MHn+nOH-总的电极反应：M+nNi(OH)2=MHn+nNiOOH 氢化物镍电池除了对环境无污染，对人体无毒害以外，还具有比能量高(为Ni/Cd电池的1.5-2倍)，良好的耐充电、放电性能，没有记忆效应，而且还有能与Ni/Cd电池互换使用的优点。所以氢化物镍电池受到了人们极大的重视。储氢合金的应用方面很多，除了以上介绍的内容外，还在空调与制冷，热泵、热-压传感器、加氢和脱氢反应催化剂等方面都可得到应用储氢材料应用前景储氢合金的储氢能力很强。单位体积储氢的密度，是相同温度、压力条件下气态氢的1000倍，也即相当于储存了1000个大气压的高压氢气。由于储氢合金都是固体，既不用储存高压氢气所需的大而笨重的钢瓶，又不需存放液态氢那样极低的温度条件，需要储氢时使合金与氢反应生成金属氢化物并放出热量，需要用氢时通过加热或减压使储存于其中的氢释放出来，如同蓄电池的充、放电，因此储氢合金不愧是一种极其简便易行的理想储氢方法。 目前研究发展中的储氢合金，主要有钛系储氢合金、锆系储氢合金、铁系储氢合金及稀土系储氢合金。储氢合金不光有储氢的本领，而且还有将储氢过程中的化学能转换成机械能或热能的能量转换功能。储氢合金在吸氢时放热，在放氢时吸热，利用这种放热吸热循环，可进行热的储存和传输，制造制冷或采暖设备。 储氢合金还可以用于提纯和回收氢气，它可将氢气提纯到很高的纯度。例如，采用储氢合金，可以以很低的成本获得纯度高于99.9999%的超纯氢。储氢合金的飞速发展，给氢气的利用开辟了一条广阔的道路。在工业领域独领风骚一个世纪的内燃机，很快就要面