《储氢材料简介》PPT课件

储氢材料 目录 能源现状 储氢材料的简介 储氢材料的研发 应用与总结 一 能源现状 化石燃料的发展史 一 能源现状 化石燃料的优点与缺点 优点 浓缩能源 易储存 易运输 化石燃料 缺点 不可再生资源 破坏环境 军事冲突 一 能源现状 石油 不可再生资源 80 能量来源为化石燃料 环境科学技术期刊 化石燃料可能在2050年就会枯竭 可再生能源到2140年才能在全世界广泛应用 国际能源署 IEA 石油价格在2015年超过每桶 100 2035年超过 200 一 能源现状 石油储量分布不均 60 5 一 能源现状 世界能源消耗不均1990 2020 QuadrillionBtu 3 6 1 4 一 能源现状 节能技术迫在眉睫发展新能源势在必行新能源 太阳能 风能 核能 地热能 海洋能 生物能 氢能等 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 二 储氢材料的简介 3 氢是地球上最丰富的元素之一 当然 以分子氢形式存在的H仅占总量的不到1 绝大部分是结合在水和烃类中 要实现氢能源的大规模普及 首先要解决氢气的制取问题 而制取氢气是要消耗化学能的 目前工业上主要以煤或天然气为原料制取氢气 全球产量达每年5 1010kg 但以化石燃料制取新能源显然有违我们的初衷 这与燃烧化石燃料无异 最清洁的氢气制取方法是在催化剂 如TiO2 存在下利用太阳能使水光解 这种方法真正实现了能量的持续转化 化学能直接来自太阳能 和物质的循环利用 且没有污染 是未来大规模产氢的理想途径 二 储氢材料的简介 Figure1showsanidealhydrogencycle wherehydrogenisproducedbysplittingwaterthroughelectrolysiswithsolarenergy storingitreversiblyinasolid andusingitondemandinafuelcelltoproduceenergy 二 储氢材料的简介 4 氢的燃烧能以高效和可控的方式进行 目前液氢已用作火箭燃料 液氢 液氨或储氢合金贮存的氢气已用作汽车燃料 但由于氢的生产成本高于化石燃料 推广使用尚有困难 二 储氢材料的简介 氢能源 国际对比 二 储氢材料的简介 氢能的使用 存在的困难 关键环节 二 储氢材料的简介 储氢方式 对储氢材料要求 可逆性好适应燃料电池的工作条件储氢量大theDepartmentofEnergy sstoragesystem提出的目标 1 gravimetricandvolumetricdensitiesof7 5wt and70g L 2 anoperatingtemperaturebetween 40and85 3 aminimumdeliverypressureof12bar 4 afuelingtimelessthan3min 二 储氢材料的简介 氢能系统 化石能源 太阳能 风能 海洋能 地热能 原子能 煤 石油 天然气 水 生物质 副产氢 蒸汽转化法 微生物法 汽化 热化学循环 电解法 煤气化法 部分氧化法 氢 加压精制 压缩 碳材 氢化物 冷冻 有机液 玻璃微球 管道 船舶 车辆 氢化物箱 贮槽 化学工业 航空航天 电子工业 冶金工业 燃料电池 发动机 家庭民用 能源 制氢原料 制氢方法 储氢系统 输送系统 氢的利用 目前的一些储氢方法 二 储氢材料的简介 a 高压储氢 气态储氢 优点 简单 常用 缺点 体积能量密度低 对容器耐压性能高 不安全 储氢方式比较 二 储氢材料的简介 储氢方式比较 b 液态储氢优点 体积能量密度高 缺点 液化耗能 4 10kw h kg 蒸发损失 对储槽绝热材料的要求高 二 储氢材料的简介 固态储氢的优势 体积储氢容量高无需高压及隔热容器安全性好 无爆炸危险可得到高纯氢 提高氢的附加值 储氢方式比较 c 固态储氢 二 储氢材料的简介 储氢方式比较 体积比较 二 储氢材料的简介 Threemainlydifferentwaysthathydrogencanbeadsorbedonamaterial physisorption chemisorption quasi molecularbonding 二 储氢材料的简介 储氢材料的分类 intermsofthestrengthofhydrogenbonding 物理吸附储氢 sorbentmaterialswherehydrogenisphysisorbedandweaklyboundtothesubstrate 2 复合氢化物储氢 complexhydrideswherehydrogenisheldinstrongcovalentbonds theseconsistoflightmetalhydridesandchemicalhydrides 3 纳米结构材料储氢 nanostructuredmaterialswherehydrogenisheldbyaninteractionthatisintermediatebetweenphysisorptionandchemisorption 二 储氢材料的简介 1 物理吸附储氢 SorbentMaterials 碳纳米管 1997 3单壁碳纳米管中的储氢 nature 1999 7碱掺杂的碳纳米管在常压常温下的高吸氢量 science 1999 11室温下在单壁碳纳米管上的储氢 science 5wt 20wt 2010 2回顾碳纳米管储氢 carbon 1998 2010 CNTS储氢量逐年下降物理吸附达到的储氢密度有限 1wt 沸石 金属有机骨架化合物 玻璃微球 直径25 500um 球壁厚度1um 15 42 二 储氢材料的简介 2 复合氢化物储氢 SorbentMaterials 优点 AlH4 NH2 BH4 含氢量高很有潜力 NaAlH4 7 47wt LiAlH4 10 62wt KBH4 7 47wt NaBH4 11 66wt LiBH4 18 51wt NH3BH3 12 9wt 缺点 放氢温度高400 700K 二 储氢材料的简介 3 纳米结构材料储氢 NanostructuredMaterials 1 Researchonnanostructuredmaterialshasclearlydemonstratedthatreducedsize lowdimensionality andlowcoordinationcanleadtopropertiesthatareverydifferentfromthecorrespondingbulkmaterials2 thephysicsandchemistryofmatterattheNanoscalecanbefundamentallyaltered 二 储氢材料的简介 三 储氢材料的研发 镁基储氢材料 多孔聚合物储氢材料 储氢材料 三 储氢材料的研发 3 1镁基储氢材料 金属储氢材料的储氢原理 在一定温度和氢气压力条件下 储氢金属或合金与氢反应生成金属氢化物 并释放出热量 当提高温度或降低氢压时 氢化物释放出氢气 其吸放氢过程可表示为 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 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 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 镁基材料的不足 镁基氢化物的热力学稳定性较高 可逆储氢温度过高 吸放氢动力学性能较差 给其实际应用带来了阻碍 三 储氢材料的研发 为改善镁基材料的储氢性能 各国学者做了大量的研究工作 其研究重点主要集中在四个方面 l 机械球磨合金化改性 是改善镁基合金性能的常用方法 2 元素 部分 取代改性 通过其它元素的 部分 取代来降低脱氢分解温度 3 添加剂改性 通过添加金属单质 金属氧化物或卤化物 非金属 有机溶剂改性等以改善其吸放氢性能 4 与储氢合金复合改性 复合改性后可使合金氢化物稳定性降低 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 碳纳米管 碳纳米管优势 1 良好的导热性和热稳定性 2 具有一定的吸氢性能 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 三 储氢材料的研发 三 储氢材料的研发 2 充放氢过程 三 储氢材料的研发 3 碳纳米管含量对镁基储氢材料的影响 加碳纳米管的镁基储氢材料具有良好的吸放氢性能 储氢容量大 吸放氢速度快 在较低的温度下 可以进行吸氢与放氢过程 结论 碳纳米管由于其本身的良好导热性能 对氢分子敏感 具有一定的吸附氢气能力 是一种很有效的镁基储氢材料添加剂 可以改善储氢材料的吸放性能 并且还可以降低制备镁基储氢材料过程的球磨强度 三 储氢材料的研发 三 储氢材料的研发 Schematicofhydrogenstoragecompositematerial high capacityMgNCsareencapsulatedbyaselectivelygas permeablepolymer Air stablemagnesiumnanocompositesproviderapidandhigh capacityhydrogenstoragewithoutusingheavy metalcatalysts 三 储氢材料的研发 三 储氢材料的研发 三 储氢材料的研发 三 储氢材料的研发 developedanew simplemethodtosynthesizeair stablecrystallineMgNCs PMMAcompositesbyen capsulationinapolymerwithselectivegaspermeability protectingtheNCsfromO2andH2O 结论 Thecompositesshowednooxidationaftertwoweeksofairexposure Rapiduptake 30minat200 ofhydrogenwasachievedwithahighcapacity 6wt inMg 4 overall intheabsenceofheavy metalcatalysts demonstratingavolumetriccapacity 55gl1 greaterthanthatofcompressedH2gas 三 储氢材料的研发 三 储氢材料的研发 3 2多孔聚合物储氢材料 多孔聚合物特点 1 密度很小 测得的晶体密度0 21 0 41g cm3 是目前所报道的储氢材料母体密度最小品种 2 具有多孔结构 而且这些微孔具有统一的大小和形状 具有很大的比表面积 已报道合成的此类物质中平均表面积大于2000m2 g 比含碳类多孔材料的表面积还要大 3 可以在室温 安全的压力 小于2MPa 下快速可逆地吸收大量的氢气 在室温和1MPa条件下 它可储存2 的氢气 在低温下 78K 其储氢量可达4 5 PreparationofSize SelectiveNanoporousPolymerNetworksofAromaticRings PotentialAdsorbentsforHydrogenStorage 三 储氢材料的研发 theenthalpyofadsorption H thesurfaceareaandporevolume capacity temperature anenthalpyofadsorptionintherangeof15 20kJ mol Theoreticalcalculations 三 储氢材料的研发 三 储氢材料的研发 三 储氢材料的研发 三 储氢材料的研发 三 储氢材料的研发 三 储氢材料的研发 Thehypercrosslinkednetworksofaromaticringswithporesthataretoosmalltoallowpenetrationofnitrogenbutlargeenoughforhydrogenadsorptioncanbegenerated 结论 Theselightweightmaterialsexhibithighenthalpiesofadsorptionforhydrogenreachingupto 18kJ mol Andcouldachievereversiblehydrogenstorageatroomtemperature 三 储氢材料的研发 NanoporousPolymersContainingStereocontortedCoresforHydrogenStorage 三 储氢材料的研发 三 储氢材料的研发 三 储氢材料的研发 三 储氢材料的研发 三 储氢材料的研发 三 储氢材料的研发 Template FreeSynthesisofaHighlyPorousBenzimidazole LinkedPolymerforCO2CaptureandH2Storage 三 储氢材料的研发 三 储氢材料的研发 3 2 1新型金属 有机骨架配位聚合物 金属有机骨架配合物Metalorganicframeworks MOFs 也称为配位聚合物 是一类具有广阔应用前景的新型多孔材料 过渡金属离子或金属簇与有机配体利用分子组装和晶体工程的方法得到的具有一定尺寸和形状带空腔的配位聚合物 多孔配位聚合物与传统的多孔材料 如沸石 分子筛 相比具有结构可塑 孔隙率高 孔大小分布均匀等特点 三 储氢材料的研发 MOFs的特点 1 密度很小 测得的晶体密度0 21 0 41g cm3 是目前所报道的储氢材料母体密度最小品种 2 具有多孔结构 而且这些微孔具有统一的大小和形状 3 具有很大的比表面积 已报道合成的此类物质中平均表面积大于2000m2 g 比含碳类多孔材料的表面积还要大 4 可以在室温 安全的压力 小于2MPa 下快速可逆地吸收大量的氢气 在室温和1MPa条件下 它可储存2 的氢气 在低温下 78K 其储氢量可达4 5 5 可以通过人为改变骨架中的有机连接基团 改变其分子结构 达到调整其储氢能力 6 热稳定性好 热分解温度高达300 400 之间 三 储氢材料的研发 三 储氢材料的研发 MOFs的设计 MOFs 结点 网络结构中的节点 联接桥 联接网络结构结点间的化学键或包含多个化学键的有机官能团 金属离子 配体 多齿配体 单齿配体 过渡金属离子 稀土金属离子 三 储氢材料的研发 MOFs的分类 目前 MOFs的合成主要采用几种配体 含氮杂环配体 含羧基配体 含氮杂环与羧酸混合配体 两种羧酸混合配体等 最常用的是前两种 下面我们将分别介绍 1 含羧基配体的MOFs Yaghi用锌盐与对苯二甲酸 BDC 反应得到了立方结构的三维多孔聚合物 Zn4O BDC 3 MOF 5 图1 a 球体代表形成的孔洞 其直径为1 85nm 比表面积为2500 3000m2 g 1 此结构具有相当好的热稳定性 400 以下 吸附实验结果表明 多孔材料MOF 5在78K和0 8 105Pa压力下能吸收4 5 wt 质量百分数 的H2 相当于每个结构单元吸收17 2个H2分子 而在室温和2 106Pa压力下 可吸收1 0 wt 的H2且并未达到饱和 表明该材料在储氢方面还具有很大的潜力 a MOF 5 三 储氢材料的研发 在这一结构中 占据立方体顶点的不是单个金属离子 而是由4个正四面体ZnO4组成的 Zn4O CO2 6 图1 b 簇单元 SBUs 这些簇单元由对苯二甲酸根桥联起来形成三维结构的正立方体 在MOF 5的基础上通过改变芳香羧酸桥联配体的长度和功能基团 Yaghi等合成了一系列与MOF 5具有相同拓扑结构的16种MOFs骨架 IRMOF n n 1 16 它们具有比表面积高和热稳定性好的性能 b Zn4O CO2 6 三 储氢材料的研发 Zn4O BTB 2 MOF 177 图1 c 是用八面体的 Zn4O CO2 6 簇单元作为6连接结点和BTB H3BTB 1 3 5 三 4 羧基苯 苯甲酸 搭建的 它的比表面积约为4500m2 g 1 是目前报道的最轻的晶体材料 密度仅为0 21g cm 3 该材料1 01 103Pa下对H2的吸附量为12 5mg g 1 c MOF 177 d UMCM 1 Yaghi以MOF 5和MOF 177为SBUs成功合成了UMCM 1 图1 d 它是一种罕见的既有微孔又有介孔结构的材料 是迄今为止比表面积最大的多孔材料 约为6500m2 g 1 三 储氢材料的研发 2 含氮杂环类配体 含氮杂环类配位聚合物 MOFs 具有光 电和磁等性质 这类MOFs是含氮杂环类配体与金属离子通过配位键 氢键 堆积等作用组装而成 能用于合成多孔MOFs的含氮杂环类配体大部分是吡啶及其衍生物 a 单层结构图 b 相邻两层几何关系图 三 储氢材料的研发 MOFs的应用 应用 四 应用与总结 1 制取储运氢气的容器 2 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 9999 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