材料化学 chapter7-2储氢合金

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1、7.3贮氢合金氢能系统20世纪70年代的“能源危机”促使各国认真审视自己的能源结构，并寻找新的能源。然而，“车载能源的潜在危机”并没有得到有效解除。也就是说，当石油、煤和天然气用完后，人类用什么来驱动汽车的问题依然存在。7.3.1解决氢能源的贮存问题氢是一种热值很高的燃料。燃烧1Kg的氢可放出62.8千焦的热量，1千克的氢可以代替3千克的汽油。氢氧结合的燃烧产物是最干净的物质-水，没有任何污染。氢的来源丰富，若能从水中制取氢气，则可谓取之不尽、用之不竭。1.氢是自然界中普遍存在的能源，它主要以化合物的形式存

2、在于水中，而水是地球上最广泛的物质。氢燃烧反应又生成水，所以氢是一种不受资源限制的无限能源。2.氢本身无毒，燃烧时水是其唯一产物，所以氢是一种最清洁的能源。最有希望的“车载”能源之一3.除核染料外，氢的发热值是所有燃料中最高的，是汽油的3倍，是焦炭的4.5倍。4.氢燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高，燃烧速度快。5.可直接用作发动机燃料、也可以以燃料电池方式驱动汽车6.现有的内燃机稍加改装既可使用氢。氢燃料目前面临的两大问题：氢气的制取和氢的贮存？总的来说，贮氢存在物理和化学两大类

3、：物理贮氢方法：液氢贮氢、高压氢气贮存、活性碳吸附贮存、碳纤维和碳纳米管贮存、玻璃微球贮存等。化学贮氢方法：金属氢化物贮存、有机液态氢化物贮存、无机物贮存、铁磁性材料贮存等。氢气贮存技术目前，工业上常用高压气瓶贮氢。氢气经过加压（约15MPa），贮存于高压钢瓶中。由于所用的钢瓶较重，氢气的密度小，在有限的容积中只能贮存少量的氢气，氢气的质量只占容器质量的1-2%。且钢瓶本身的重量笨重，不易搬动。更因为氢气遇到火花或与氧气、氯气等混合，就会引起爆炸。因此经济上和安全上均不可取。（1）氢气高压贮存这是一种深冷的

4、液氢贮存技术氢气经过压缩之后，深冷到21K以下使之变为液氢，然后存贮到特质的绝热真空容器中。常温、常压下液氢的密度为气态氢的845倍，液氢的体积能量密度比压缩贮存高好几倍，这样同一体积的贮氢容器，其储氢质量幅度提高。液态贮氢必须在深冷的温度下或特制的耐高压容器中，也是即不经济又不安全。（2）液氢贮存金属氢化物贮氢，氢以原子状态贮存与合金中。重新释放出来时，经历扩散、相变、化合等过程。这些过程受热效应与速度的制约，不易爆炸，安全性强。有些金属氢化物贮氢密度可达到标准状态下氢气的1000倍，与液氢相同甚至超过液

5、氢。（3）金属氢化物贮存一种是化合物形式，一种是物理吸附形式。氢可与许多非金属元素或物质相作用，构成各种非金属氢化物。吸附吸氢材料主要有分子筛、活性炭、高比表面积活性碳、新型吸附剂等。（4）非金属材料贮氢贮氢量大，苯和甲苯的理论贮氢量分别为7.19%和6.18%（质量）。贮氢剂和氢载体的性质与汽油类似，贮存、运输、维护安全方便，便于利用现有的油类贮存和运输设备，设备简单；可多次循环使用，寿命可达20年。（5）有机液体贮氢贮氢能力合金的性能要求：①单位质量和单位体积的贮氢量尽可能地多，吸氢操作温度、压力条件要

6、求不高，易于实施，设备简单。氢化物生成热少，具有适于常温使用的氢的平衡分解压力，而且可根据需要能容易地释放出氢。可供反复使用，历经吸氢释氢的反复循环，其性能维持不变，不会因为燃料中所含杂质的污染而使吸氢释氢性能下降。④贮氢合金造价低廉、稳定、轻质、便于贮运。7.3.2贮存氢气的合金最早发现的是金属钯，1体积钯能溶解几百体积的氢气，但钯较贵，缺少使用价值。如镧镍金属间化合物：每克镧镍合金能贮存0.157升氢气，略微加热，就可以使氢气重新释放出来，LaNi5是镍基合金。铁基合金可用作贮氢材料的有TiFe，每克T

7、iFe能吸收贮氢0.18升氢气。其他还有镁基合金，如Mg2Cu、Mg2Ni等，都较便宜。金属及合金贮氢的发现金属贮氢的原理在于这类材料中一个金属原子能与两个、三个甚至更多的氢原子结合，生成稳定的金属氢化物，同时放出热量。等将其稍稍加热，氢化物又会发生分解，将吸收的氢释放出来，同时吸收热量。7.3.2贮氢合金材料的作用机理有效地利用金属与氢的可逆反应，就可实现化学能（氢）、热能（反应热）和机械能（平衡氢压）间的相互转换。贮氢合金平衡压和温度的关系对各种贮氢合金：当温度和氢气压力在曲线上侧时，合金吸氢，生成金属

8、氢化物，同时放热；当温度和氢气压力值在曲线下侧时，金属氢化物分解，放出氢气，同时吸热。氢与金属或合金的反应是一个多相反应：①H2的传质；②化学吸附氢的解离：H2=2Had;③表面迁移；④吸附氢变为吸收氢;Had=Habs；⑤氢在α相的稀固态容易中扩散；⑥α相变为β相：Habs(α)=Habs(β);⑦氢在氢化物(β相)中扩散。贮氢合金材料的吸氢过程金属形成氢化物后，氢化物中的金属晶格结构和金属相一样的结构，也有变