氢能产生与存储关键材料简

1、氢能产生与存储关键材料简介氢能产生与存储关键材料简介内容提要1.绪言2.氢的制取3.氢的存储4.储氢材料5.氢能的展望一、绪言氢二十一世纪的绿色能源。X 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X 氢的热值高，燃烧产物是水零排放，无污染 ，可循环利用X 氢能的利用途径多燃烧放热或电化学发电X 氢的储运方式多气体、液体、固体或化合物 氢的发现 二、氢的制取1.天然气制氢:2.煤制氢:3.水电解制氢:4.生物制氢：5.太阳能制氢：6.核能制氢：7.等离子制氢：三、氢的存储气态储氢、液化储氢、固态储氢气态储氢、液化储氢、固态储氢气态储氢：气态储氢：1)能量密度低能量密度低2)不太安全不太

2、安全液化储氢：液化储氢：1)能耗高能耗高2)对储罐绝热性能要求高对储罐绝热性能要求高固态储氢：固态储氢：1)体积储氢容量高体积储氢容量高2)无需高压及隔热容器无需高压及隔热容器3)安全性好，无爆炸危险安全性好，无爆炸危险4)可得到高纯氢，提高氢的附加值可得到高纯氢，提高氢的附加值固体制氢虽然有很多的优点但是现在还没有研究出很好的储氢固体物质，还有待我们的继续开发。三种储氢方法的比较：四、储氢材料。4.1金属储氢材料 金属储氢材料通常是指合金氢化物材料,其储氢密度是标态下氢气的1000倍以上,与液氢相同甚至超过液氢。目前,趋于成熟和具备实用价值的金属储氢材料主要有镁系合金和钛系合金等。 镁系合金

3、储氢材料 镁可直接与氢反应,在300400和较高的压力下,反应生成MgH2。Mg+H2=MgH2,H=一74.6kJ/mol。MgH2理论氢含量可达7.6%,具有金红石结构,性能较稳定,在287时分解压为101.3kpa。由于纯镁的吸放氢反应动力学性能差,吸放氢温度高,所以纯镁很少被用来储存氢气.为此人们又开始研究镁基储氢合金材料。 2.钛系储氢材料 3.络合物储氢材料 络合物用来储氢起源于氢化硼络合物的高含氢量, 日本的科研人员首先开发了氢化硼钠和氢化硼钾等络合物储氢材料, 它们通过加水分解反应可产生比其自身含氢量还多的氢气。后来又有人研制了一种被称为“Aranate”的新型贮氢材料氢化铝络

4、合物。 这些络合物在加热分解后可放出总量高达7.4%的氢。 氢化硼和氢化铝络合物是很有发展前景的新型储氢材料, 但为了使其能得到实际应用, 人们还需探索新的催化剂或将现有的钛、锆、铁催化剂进行优化组合以改善NaAlH4等材料的低温放氢性能,而且对于这类材料的回收再生循环利用也须进一步深入研究。4.2多孔吸附储氢材料 。超级活性炭吸附储氢 超级活性炭储氢始于20世纪70年代末,是在中低温(77273 K)、中高压(110 MPa)下利用超高比表面积的活性炭作吸附剂的吸附储氢技术。与 其他储氢技术相比,超级活性炭储氢具有经济、储氢量高、解吸快、循环使用寿命长和容易实现规模化生产等优点,是一种很具潜

5、力的储氢方法。周理用比表面积为3000 m2/g,微孔容积为15 mL/g(依据CO2吸附)的超级活性炭来储氢,在77 K低温、3 MPa下就可储5%(质量分数)的氢气;但随温度提高,储氢量越来越低。詹亮等用高硫焦炭制备了一系列孔半径为0.20.4 nm的超级活性炭,研究表明:氢在超级活性炭上的吸附量,在较低压力下随压力升高而显著增加;在较高压力下,活性炭的比表面积对其影响较为明显。在293 K/5 MPa、94 K/6 MPa下,超级活性炭上储氢质量分数达1.9%、9.8%,氢在超级活性炭上的等温脱附率可达95.9%。4.3.有机液态储氢材料 有机液体氢化物储氢技术是20世纪80年代国外开发

6、的一种新型储氢技术,其原理是借助不饱和液体有机物与氢的一对可逆反应,即加氢反应和脱氢反应实现的。烯烃、炔烃和芳烃等不饱和有机物均可作为储氢材料,但从储氢过程的能耗、储氢量、储氢剂和物理性质等方面考虑,以芳烃特别是单环芳烃为佳。 目前研究表明,只有苯、甲苯的脱氢过程可逆且储氢量大,是比较理想的有机储氢材料。有机物储氢的特点:(1)储氢量大,苯和甲苯的理论储氢质量分数分别为7.19%和6.18%;(2)便于储存和运输;(3)可多次循环使用;(4)加氢反应放出大量热可供利用4.4碳纳米管储氢材料（CNTs）1991年日本NEC公司Iijima教授发现CNTs纳米碳管储氢-美学者Dillon1997首

7、开先河单壁纳米碳管束TEM照片多壁纳米碳管TEM照片从微观结构上来看,碳纳米管是由一层或多层同轴中空管状石墨烯构成,可以简单地分为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管以及由单壁碳纳米管束形成的复合管,管直径通常为纳米级,长度在微米到毫米级。石墨纳米纤维是一种截面呈十字型,面积为0.35 nm2,长度10100m之间的石墨材料,它的储氢能力取决于其纤维结构的独特排布。氢气在碳纳米管中的吸附储存机理比较复杂。根据吸附过程中吸附质与吸附剂分子之间相互作用的区别,以及吸附质状态的变化,可分为物理吸附和化学吸附。1997年,Dillon等最早对单壁碳纳米管的储氢性能进行了研究。他们采用程序升温解吸法测定了未经纯化

8、处理、含无定形炭和金属催化剂颗粒的单壁碳纳米管的吸附储氢量,根据样品中碳纳米管的纯度,计算出纯碳纳米管在常温下能储存5%10%(质量分数)的氢气。进一步的研究表明,采用高温氧化的方法处理碳纳米管,使管末端开放,可以有效增加吸附量并提高吸附速率。 纯化处理后多壁纳米碳管最大放电容量为 1157mAh/g，相当于4.1重量储氢容量。经过100充放电后，其仍保持最大容量的70。 单壁纳米碳管最大放电容量为503mAh/g，相当于1.84重量储氢容量。经过100充放电后，其仍保持最大容量的80。 尽管人们对碳纳米管储氢的研究已取得了一些进展,但至今仍不能完全了解纳米孔中发生的特殊物理化学过程,也无法准确测得纳米管的密度,今后还应在储氢机理、复合掺杂改性和显微结构控制等方面进行深入研究。五、氢能的展望 氢的储存技术是开发利用氢能的关键性技术,如何有效地对氢进行储存,并且在使用时能够方便地释放出来,是该项技术研究的焦点。碳质吸附储氢还处于初期的发展阶段,目前的研究重点是提高室温、常压下氢的吸附量。在吸附机理、吸附剂的合成和吸附剂的净化等方面取得突破性进展。尽管许多工作还没有展开,但碳质吸附储氢已经显示出了一定的优越性,是未来非常有潜