储氢材料的研究进展

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1、储氢材料的研究进展摘要：日益严峻的能源危机和环境污染，使得发展清洁的可再生能源成为世界各国的重要课题。氢能源以其可再生性和良好的环保效应成为未来最具发展潜力的能源载体，被公认为人类未来的理想能源，而氢的储存是发展氢能技术的难点之一。本文介绍了各类材料的储氢功能特点和近年来几类主要储氢材料的研究进展，并指出了储氢材料的发展方向。关键词：储氢材料；氢能源；研究进展；发展方向1引言随着化石能源的日渐匮乏和生态环境的不断恶化，寻找和发展新型能源为全世界所瞩目。氢能源被公认为人类未来的理想能源，有如下几方面的原因：(1)氢燃烧释能后的产物是水，是清洁能源；(2)氢是自然界中最普遍的元素

2、，资源丰富，可通过太阳能、风能等自然能分解水而再生，是可再生能源；(3)氢能具有较高的热值，燃烧氢气可产生1.25×106kJ/kg热量，相当于3kg汽油或4.5kg焦炭完全燃烧所产生的热量；(4)氢能的利用途径多，可直接用作发动机燃料、化工原料、燃料电池和结构材料等。因此，氢是一种高能量密度的绿色新能源，它在燃料电池及高能可充放电电池等方面展现了很好的应用前景。可以预见，未来世界将从以碳为基础的能源经济形态转变为以氢为基础的能源经济形态[1,2]。氢能的开发和利用涉及氢气的制备、储存、运输和应用四大关键技术。氢的存储是氢能应用的难题和关键技术之一。目前储氢技术分为两大类即物

3、理法和化学法。前者主要包括液化储氢、压缩储氢、物理吸附形式储氢（如碳纳米管、多孔聚合物）等；后者主要包括金属氢化物储氢、非金属氢化物储氢、有机液态氢化物储氢等。传统的高压气瓶或以液态、固态储氢都不经济也不安全，而使用储氢材料储氢能很好地解决这些问题。目前所用的储氢材料主要有合金、碳材料、有机液体以及络合物等。2金属储氢材料储氢合金不仅具有安全可靠、储氢能耗低、单位体积储氢密度高等优点，还有将氢气纯化、压缩的功能，是目前最常用的储氢材料。储氢合金按组成储氢合金金属成分的数目区分，可分为二元系、三元系和多元系；按储氢合金材料的主要金属元素区分，可分为镁系、稀土系、钛系、锆系、铁系

4、等；如果把构成储氢合金的金属分为吸氢类(用A表示)和不吸氢类(用B表示)，可将储氢合金分为AB5型、AB2型、AB型、A2B型。2.1镁系储氢材料第6页共6页镁系储氢合金具有较高的储氢容量，而且吸放氢平台好、资源丰富、价格低廉，应用前景十分诱人。但其吸放氢速度较慢、氢化物稳定导致释氢温度过高、表面容易形成一层致密的氧化膜等缺点，使其实用化进程受到限制。镁基储氢合金的吸放氢动力学性能取决于两方面因素：(1)合金表面特性，与合金表面氧化层的厚度、合金表面不同成分对氢分子分解为氢原子的影响程度，以及氢原子穿过表面层进入合金基体的难易程度等因素有关；(2)合金基体的特性，与合金中的金

5、属原子和氢原子的亲和力大小、氢原子在合金中的扩散速度，以及吸氢过程中产生微裂的难易等因素有关[3]。改变合金表面特性的方法有高能球磨、氟化处理、碱处理以及添加合金元素等，其实质是清除合金表面的氧化层，或者形成具有高催化活性的新表面层，其中高能球磨在镁基合金中用得较多。Bouaricha等[4]在Mg、Mg2Ni、Ti、V和TiFe中添加10%的石墨进行球磨后发现，这些材料的活化性能被大大改善。镁具有吸氢量大（MgH2含氢的质量分数为7.6%）、重量轻、价格低等优点，但放氢温度高且吸放氢速度慢[5]。通过合金化可改善镁氢化物的热力学和动力学特性，从而出现实用的镁基储氢合金。由于

6、过渡族金属元素Ni、Cu等对镁氢化反应有很好的催化作用，为进一步改善镁基储氢合金的性能，人们开发了一系列的多元镁基合金：Mg2Ni1-xCux（x=0～0.25)、A-Mg-Ni(A=La、Zr、Ca）、CeMg11M（M=V、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn)、(Mg1-xAx)Dy（其中A主要是Zr、Ti、Ni、La，而D则代表Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Ir和Pt等）[6]。有研究表明，La5Mg2Ni23合金比LaNi5基合金具有更佳的吸氢特性和放电特性，La5Mg2Ni23的吸氢量要比后者多38%，放电容量为410mAh/g，比LaNi5基合金

7、高出28%。现在，镁系储氢合金与其他类别的储氢合金复合化已经成为镁基储氢合金开发的重要方向。2.2稀土系储氢合金LaNi5是较早开发的稀土储氢合金，它的优点是活化容易、分解氢压适中、吸放氢平衡压差小、动力学性能优良、不易中毒。但它在吸氢后会发生晶格膨胀，合金易粉碎。在25℃和0.2MPa压力下，LaNi5储氢质量分数约为1.4%。采用混合稀土Mm（La、Ce、Nd、Pr等）取代LaNi5中的La，可降低稀土合金的成本，但使MmNi5合金的氢分解压增大。为此，在MmNi5基础上又开发出了大量的多元合金Mm