铁系储氢材料.docx

为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划铁系储氢材料　　钛铁系储氢合金　　摘要：储氢合金是一种能储存氢气的合金，它所储存的氢的密度大于液态氢，因而被称为氢海绵而且氢储入合金中时不仅不需要消耗能量，反而能放出热量储氢合金释放氢时所需的能量也不高，加上工作压力低，操作简便、安全，因此是最有前途的储氢介质　　储氢合金的储氢原理是可逆地与氢形成金属氢化物，或者说是氢与合金形成了化合物，即气态氢分子被分解成氢原子而进入了金属之中由于氢本身会使材料变质，如氢损伤、氢腐蚀、氢脆等而且，储氢合金在反复吸收和释放氢的过程中，会不断发生膨胀和收缩，使合金发生破坏，因此，良好的储氢合金必须具有抵抗上述各种破坏作用的能力　　正在研究和发展中的储氢合金通常是把吸热型的金属与放热型的金属组合起来，制成适当的金属间化合物，使之起到储氢的功能吸热型金属是指在一定的氢压下，随着温度的升高，氢的溶解度增加；反之为放热型金属储氢合金主要有三大系列：①以LaNi5为代表的稀土系储氢合金系列；②以TiFe为代表的钛系储氢合金；③以Mg2Ni为代表的镁系储氢材料。

　　关键字：储氢合金钛铁系储氢合金制备优势钛铁系储氢合金的应用钛铁系储氢合金　　在这里我们主要介绍的是钛铁系储氢合金的研究与应用方面的内容　　钛铁储氢材料是美国国立布鲁克海文(Brookhaven)实验室的Reilly在1974年首先提出来的，我国是从1978年开始研究的，美国的毕林斯(Bilings)能量公司，荷兰的菲利浦斯(Philips)研究室，日本的大阪工业技术试验所，西德的戴姆勒本茨(DaimlerBenz)公司等单位在理论和应用方面都做了不少工作东德、苏联、英、法等国也都开展了这方面的研究　　TiFe是AB型金属间化合物，单元晶胞为CsCl构型，属立方晶系空间群Pm3m，晶格常数a=埃原子间隙由四面体构成，间隙多，有利于氢原子的吸附TiFe在室温下可与氢反应,生成氢化物(β相)和(γ相)β相为正方晶格，γ相为立方晶格，FeTi合金活化后，能可逆地吸放大量的氢，且氢化物的分解压强仅为几个大气压，很接近工业应用；Fe，Ti元素在自然界中含量丰富，价格便宜，适合在工业中大规模应用　　FeTi吸氢，首先是氢分子被吸附到FeTi表面上，其中一些氢分子离解成氢原子然后，这些氢原子进人金属晶体，占据晶格间隙。

当气压力升高时(通常在某种临界浓度和压力下)，金属被氢饱和而使金属进人一个新相，即氢化物相如氢压进一步提高，最后都变成金属氢化物相由于金属晶格中有许多间隙位置，可以高度紧密地容纳大量氢但是其缺点是吸氢和放氢循环中具有比较严重的滞后效应为改善TiFe合金的储氢特性，可用过渡金属Co，Cr，Cu，Mn，Mo，Ni，Nb，V等置换部分铁形成多元合金以实现常温活化过渡金属的加入，使合金活化性能得到改善，氢化物稳定性增加　　但由于材料中有TiO层形成，使得该材料极难活化，限制了其应用改善FeTi　　合金活化性能最有效的途径是合金化和纳米化，在纯Ar气氛下，掺杂少量的Ni，球磨20～30h后制备的FeTi材料不需活化即可很容易地吸氢；研究还表明用机械压缩和酸、碱等化学试剂表面处理也能改善FeTi合金的活化性能钛铁系储氢合金具有的优势如下：　　①易活化，氢的吸储量大；　　②用于储氢时生成热尽量小，而用于蓄热时生成热尽量大；　　③在一个很宽的组成范围内，应具有稳定合适的平衡分解　　④氢的俘获和释放速度快；　　⑤金属氢化物的有效热导率大；　　⑥在反复吸、放氢的循环过程中，合金的粉化小，性能稳定性好；⑦对不纯物如氧、氮、CO、CO2、水分等的耐中毒能力强；　　⑧钛铁系储氢合金价格较便宜。

　　钛铁系储氢合金的应用　　作为储运氢气的容器：储氢合金作储氢容器具有重量轻，体积小的优点用储氢合金储氢无需高压及储存液氢的极低温设备和绝热措施，节省能量，安全可靠　　氢能汽车：储氢合金作为车辆氢燃料的储存器，目前处于研究试验阶段主要问题是储氢材料的重量比汽油箱重量大得多，影响汽车速度但是氢的热效率高于汽油，而且燃烧后无污染，使氢能汽车的前景十分诱人　　分离、回收氢:工业生产中，有大量含氢的废气排放到空中白白浪费了如能对其加以分离、回收、利用，则可节约巨大的能源利用储氢合金分离氢气的方法与传统方法不同，当含氢的混合气体(氢分压高于合金-氢系平衡压)流过装有储氢合金的分离床时，氢被储氢合金吸收，形成金属氢化物，杂质排出；加热金属氢化物，即可释放出氢气　　(4)制取高纯度氢气：利用含有杂质的氢气与储氢合金接触，氢被吸收，杂质则被吸附于合金表面；除去杂质后，再使氢化物释氢，则得到的是高纯度氢气　　(5)加氢及脱氢反应催化剂：施瓦布等发现在TiFe合金中加入少量Ru可使TiFe在合成氨反应中的催化活性提高5倍，活化能从62kJ／mol降至38kJ／mol此后储氢合金在催化加氢、脱氢反应中的应用引起人们越来越大的兴趣，并得到广泛的研究。

　　结束语　　在目前研究的各种储氢材料中，钛铁系储氢合金是主要应用的储氢材料，但其储氢需要较高的温度和压力，且储氢量较低，大规模应用仍然有困难钛铁系储氢合金结构的纳米化和高催化性能的多元系合金的开发应是今后研究方向储氢合金进行催化参杂、控制储氢材料的显微结构的研究，对于提高材料的储氢性能以及开发新型复合储氢材料都具有理论和实际意义　　参考文献　　大角泰著.金属氢化合物的性质与应用[M].吴永宽译,北京化学工业出版社，1990　　刘永平,赵罡,李荣等.储氢合金的开发与应用[J].重庆大学学报,XX　　李全安,陈云贵,王丽华.贮氢合金的开发与应用[J].材料开发与应用,1999,14(3).　　刘红,韩莹,程云阶.储氢合金的性质及发展趋势[J].沈阳航空工业学院学报,XX,17(1）　　闫慧忠.稀土储氢材料的现状及发展趋势.包头稀土研究室,XX　　第1页共6页　　第2页共6页　　第3页共6页　　第4页共6页　　第5页共6页　　储氢材料(hydrogenstoragematerial)一类能可逆地吸收和释放氢气的材料20世纪70年代以后，由于对氢能源的研究和开发日趋重要，首先要解决氢气的安全贮存和运输问题，储氢材料范围日益扩展至过渡金属的合金。

如镧镍金属间化合物就具有可逆吸收和释放氢气的性质：化石能源的有限性与人类需求的无限性-石油,煤炭等主要能源将在未来数十年至数百年内枯竭!化石能源的使用正在给地球造成巨大的生态灾难-温室效应,酸雨等严重威胁地球动植物的生存!人类的出路何在-新能源研究势在必行!氢能开发,大势所趋氢是自然界中最普遍的元素,资源无穷无尽-不存在枯竭问题氢的热值高,燃烧产物是水-零排放,无污染,可循环利用氢能的利用途径多-燃烧放热或电化学发电氢的储运方式多-气体,液体,固体或化合物廉价而又高效的制氢技术，安全高效的储氢技术-开发新型高效的储氢材料和安全的储氢技术是当务之急不同储氢方式的比较　　气态储氢:能量密度低、不太安全液化储氢:能耗高、对储罐绝热性能要求高固态储氢的优势: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　　储氢材料技术现状　　金属氢化物　　金属氢化物储氢优点：反应可逆、氢以原子形式储存,固态储氢,安全可靠，较高的储氢体积密度目前研制成功的有稀土镧镍系、钛铁系、镁系、钛/锆系、稀土镧镍系、储氢合金　　稀土镧镍系典型代表:LaNi5特点:活化容易、平衡压力适中且平坦,吸放氢平衡压差小抗杂质气体中毒性能好、适合室温操作经元素部分取代后的(Mm混合稀土,主要成分La,Ce,Pr,Nd)广泛用于镍/氢电池　　钛铁系典型代表:TiFe,价格低室温下可逆储放氢易被氧化活化困难抗杂质气体中毒能力差实际使用时需对合金进行表面改性处理　　镁系典型代表:Mg2Ni储氢容量高、资源丰富、价格低廉、放氢温度(250-300℃)放氢动力学性能较差改进方法:机械合金化-加TiFe和CaCu5球磨,或复合　　钛/锆系具有Laves相结构的金属间化合物原子间隙由四面体构成,间隙多,有利于氢原子的吸附活性好用于:氢汽车储氢,电池负极　　但是储氢合金技术在大规模的工业应用中也有一定的缺陷，由于氢本身会使材料变质，如氢损伤、氢腐蚀、氢脆等。

而且储氢合金在反复吸收和释放氢的过程中会不断发生膨胀和收缩，使储氢合金发生粉化，并在管道或床层上堆积另外，粉化后的储氢合金还会使床层的导热能力变差，造成合金材料的吸放氢速度下降　　碳质材料储氢　　碳质材料储氢方式分为物理吸附和化学吸附两大类，其中所使用的材料主要有高比表面积活性炭和纳米碳管由于该技术具有压力适中、储存容器自重轻、形状选择余地大等优点，已被广泛关注活性炭由于吸附能力大、表面活性高、循环使用寿命长、成本低、易实现规模化生产等优点成为一种独特的多功能吸附剂研究表明，在超低温77K、1~10MPa条件下，其储氢量可达%~%，而且吸脱氢速度较快但由于活性炭吸附温度较低，使其应用范围受到限制尽管纳米碳管潜在的高储氢容量十分诱人，但按照美国DOE车载储氢标准的要求，特别是体积储氢密度差距甚远即使不考虑其昂贵价格，与其他技术比较也是缺乏竞争优势的纳米碳管储氢单壁纳米碳管电化学储氢开口多壁MoS2纳米管纯化处理后多壁纳米碳管最大放电容量为1157mAh/g,相当于%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%重量储氢容量.经过100充放电后,其仍保持最大容量的80%.　　金属有机骨架储氢材料　　金属有机框架(Metal-OrganicFrameworks，MOFs)材料是一种将特定材料通过相互铰链形成的支架结构，具有晶体结构丰富，比表面积高等优点。

一般地，有机材料作为支架边而金属原子作为链接点，这种孔洞型的结构能够使材料表面区域面积最大化，从而表现出良好的储氢性能MOF-5在77K及温和压力下有质量分数为％的吸氢能力其他类似的结构中，IRMOF-6和IRMOF-8在室温、2MPa压力下的储氢能力大约分别是MOF-5的2倍和4倍，与低温下的碳纳米管相近其最大的优势在于可以通过改变有机配体来调节孔径的大小，达到调节多孔配体聚合物的比表面积及增加存储空间的目的，从而提高对氢气分子的吸附量但是，MOF框架内含有部分溶剂分子，在保持骨架完好的前提下仅仅依靠升温来除去骨架中的全部溶剂分子是很困难的　　有机液体氢化物储氢材料　　和于1975年首次提出了利用可循环液体化学氢载体储氢的构想，开辟了新型储氢技术研究的领域有机液体氢化物储氢技术具有储氢量大，储存、运输、维护、保养安全方便，便于利用现有储油和运输设备，可多次循环使用等优点特别是苯、甲苯、萘等是理想的液态储氢材料，其储氢量远远高于传统高压压缩储氢和金属氢化物储氢目前，有机液体氢化物储氢材料的研究尚处于基础研究阶段　　一种镁基复合储氢材料及制备方法镁基复合储氢材料，按重量百分比含有～％Al，～％Ni，余量为Mg。

其制备步骤：先将块状金属Mg和Al通过中频感应熔炼制备Mg17Al12合金，粉碎至300目；在340℃氢气气氛下将Mg粉氢化制得MgH2；然后将Mg17Al12、MgH2、Ni粉末按重量百分比含量混合，在氩气气氛下球磨60～100小时本发明的镁基复合储氢材料可以在低温可逆吸放氢，具有较高的储氢量、良好的活化性能和优良的吸放氢动力学性能可用于制造氢源，便于氢气的提纯和储运，也可用于燃料电池用储氢材料高容量储氢合金材料及其制备工艺高容量储氢合金材料，同时提供了一种材料的制备工艺该高容量储氢合金材料的化学组。