【2017年整理】储氢材料简介.doc

储氢材料简介摘要：化石能源的大规模开发利用带来了严重的能源和环境问题，新能源开发是解决能源危机和环境污染问题的一条出路，氢能因其独特优势而倍受青睐但氢的储存是氢能利用的瓶颈，高效、安全的储氢方式一直是氢能工作者的不懈追求储氢材料的研究开发有助于消除储氢的技术障碍，从而促使整个氢工业的发展本文通过介绍氢的储存方式、一些常用的储氢材料，特别是储氢合金，使读者对储氢材料的储氢原理、分类、各自的优缺点以及应用有个初步的了解关键词：氢能 储氢材料 储氢合金目录第一章 绪论-----------------------------------------------------------------------------第二章 储氢方式-----------------------------------------------------------------------2.1 气态储存-----------------------------------------------------------------------2.2 液化储存------------------------------------------------------------------------2.3 固态储存------------------------------------------------------------------------第三章 储氢材料------------------------------------------------------------------------3.1 储氢合金------------------------------------------------------------------------3.1.1 金属储氢原理----------------------------------------------------------3.1.2 储氢合金的要求------------------------------------------------------3.1.3 储氢合金的分类-------------------------------------------------------3.1.4 储氢合金的应用--------------------------------------------------------3.2 配位氢化物储氢材料----------------------------------------------------------3.3 碳质储氢材料-------------------------------------------------------------------3.3.1 活性炭--------------------------------------------------------------------3.3.2 碳纤维--------------------------------------------------------------------3.3.3 有机液体氢化物--------------------------------------------------------第四章 储氢材料展望-------------------------------------------------------------------结束语--------------------------------------------------------------------------------------参考文献-----------------------------------------------------------------------------------第一章 绪论人类进入 21 世纪，节能环保不再只是一句口号。

随着能源紧张与环境污染问题的日益凸显，新能源和清洁能源的开发利用受到人们越来越多的关注在众多新能源中，氢能被人们寄予了厚望相对于传统化石能源来说，氢能的优势显而易见首先，氢的来源丰富，储量巨大，海水中就蕴藏着大量的氢元素；其次氢的燃烧性能优越，热值高，燃烧 1 千克氢能放出 142120 千焦的热量，相当于汽油的三倍；最后，氢燃烧后生成的是水，并不污染环境，特别符合环保理念所以，氢能又被称为本世纪最有前途的绿色能源之一然而，氢能的开发利用并不如想象中简单，它还需要克服种种技术难题氢是二次能源，自然界中并不存在可供开采的单质氢；而氢在常温常压是气体，密度很低，这使得单位体积氢的能量很低，仅相当于天然气的 1/3，汽油的1/3000；氢分子体积小，很容易逃逸；氢容易发生爆炸，存在安全隐患氢的特性使得氢能利用面临困难，解决困难，氢才能走进千家万户氢能体系主要包括氢的生产、储存和运输、应用 3 个环节而氢能的储存是关键，也是目前氢能应用的主要技术障碍氢气可以被储存，但是很难被高密度地储存，这直接制约了氢能的开发利用未来氢能的发展将离不开储氢技术的提高，也离不开储氢材料的广泛应用当今社会，材料、能源、信息已成为三大支柱。

我们有理由相信，氢能作为一种不可多得的清洁能源，必将在未来社会扮演越来越重要的角色，而储氢材料，也必将会大有所为第二章 储氢方式在了解储氢材料之前，让我们先了解氢的储存要求和储存方式氢能工业对储氢的要求总的来说是储氢系统要安全、容量大、成本低、使用方便具体到氢能的终端用户不同又有很大的差别氢能的用户终端可分为两类，一是民用和工业用氢，二是交通工具用氢前者强调大容量，后者强大的储氢密度根据用途的不同，人们研究开发了各种各样的储氢方法，试图满足储氢要求储氢方法多种多样，但根据氢存在形态的不同，归结来说可以分为三类：气态储存、液化储存和固态储存2.1 气态储存气态储存是对氢气加压，减小体积，以气体形式储存于特定容器中根据压力大小的不同，气态储存又可分为低压储存和高压储存氢气可以像天然气一样用低压储存，使用巨大的水密封储槽该方法适合大规模储存气体时使用由于氢的密度太低，应用不多气态高压储存是最普通和最直接的储存方式，通过减压阀的调节就可以直接将氢气释放出来该方法简单易行，但缺点也很突出首先，高压储氢能耗高，需要消耗别的能量形式来压缩氢气；其次，高压对容器材料强度要求高，对于移动用途而言， 加大氢压来提高携氢量将有可能导致氢分子从容器壁逸出或产生氢脆现象。

加压压缩储氢技术近年来的研究进展主要体现，且公众接受心理存在障碍；最后，高压储氢的单位质量储氢密度，也就是储氢单元内所有储氢质量与整个储氢单元的质量（含容器、储存介质材料、阀及氢气等）之比依然很低我国使用的容积为 40L 的钢瓶在 15MPa 高压下，也只能容纳大约0.5Kg 氢气，还不到高压钢瓶重量的 1%，储氢量小，运输成本太高高压储氢对容器材料要求高，储氢容器先后经历了从钢制、金属内衬纤维缠绕到全复合纤维缠绕的发展历程，穆青国际上正积极开发压力更高的轻质储氢压力容器2.2 液化储存液化储存顾名思义，就是将氢气冷却到液化温度以下，以液体形式储存在化石燃料中，液氢的有效质量密度最高，而液氢的密度是气态氢的 865 倍，因此以液态储存氢特别适合储存空间有限的运载场合若仅从质量和体积上考虑，液化储存是一种极为理想的储氢方式液氢方式储运的最大优点是质量储氢密度高，按目前的技术可以大于 5%但使用液化储氢方式，液氢罐需采用双层壁真空绝热结构，并采用安全保护装置和自动控制装置保证减振和抗冲击这就增大了储氢系统的复杂程度和总体重量，限制了氢气质量分数的提高液氢生产成本高昂，液化所消耗的能量可以达到氢气能量的 30-50%。

另外，液氢还存在严重的泄露问题液氢沸点仅为 20.38K气化潜热小，仅0.91kj/mol，因此液氢的温度与外界的温度存在巨大的传热温差，稍有热量从外界渗入容器，即可快速沸腾而损失即使用真空绝热储槽，液氢也难长时间储存目前，液氢的损失率达 1-2%每天，而汽油通常每月只损失 1%，所以，液氢不适合用于间歇使用的场合，如汽车2.3 固态储存固态储存是利用固体对氢气的物理吸附或化学反应等作用，将氢储存于固体材料中固态储存一般可以做到安全、高效、高密度，是气态储存和液化储存之后，最有前途的研究发现固态储存需要用到储氢材料，需找和研制高性能的储氢材料，成为固态储氢的当务之急，也是未来储氢发展和乃至整个氢能利用的关键第三章 储氢材料储氢材料是一类对氢具有良好的吸附性能或可以与氢发生可逆反应，实现氢的储存和释放的材料储氢材料有很多，它包括储氢合金、配位氢化物、碳质吸附材料等其中储氢合金是最常见，也是研究最深入的一类储氢材料3.1 储氢合金3.1.1 金属储氢原理氢可以和很多金属反应，生成金属氢化物，总反应式如下所示： xMHx2其中 M 为金属该反应是一个可逆过程正向反应，吸氢、放热；逆向反应，释氢、吸热；改变温度与压力条件可使反应按正向、逆向反复进行，实现材料的吸释氢功能。

事实上，金属的吸氢反应并非一步完成，吸氢过程分四步进行第一步：形成含氢固溶体（即 α 相）第二步：进一步吸氢，固溶相 MHx 与氢气反应，产生相变，生成金属氢化物（即 β 相） 第三步：增加氢气压力，生成含氢更多的金属氢化物第四步：吸附氢的脱附虽然纯金属可以大量吸氢，但为了便于使用，一般要通过合金化来改善金属氢化物的吸放氢条件，即使得金属在容易达到和控制的条件下吸放氢，因此，一般的金属储氢材料为合金储氢材料特定合金在高温、高氢压下与氢反应，形成金属氢化物，从而吸氢；通过高温或减压，金属氢化物发生分解，从而放氢；通过冷却或加压又充氢我们把吸氢快，可逆性优良的合金称为储氢合金储氢合金一般为 ABx 型，A 是能与 H 形成稳定氢化物的放热型金属，如Re、Ti、Zr、Ca、Mg、Nb 、La、Mm 等，能大量吸氢，并大量放热，而 B 为与氢亲和力小，通常不形成氢化物，但氢在其中容易移动，具有催化活性作用的金属，如 Fe、Co、Mn、Cr、Ni、Cu、Al 等，为吸热型金属，由前者形成的氢化物稳定，不易放氢，氢扩散困难，为强键氢化物，控制储氢量；后者控制放氢的可逆性，起调节生成热与分解压力的作用。

储氢合金在一定温度和压力下 ,能可逆地吸收、 储存和释放 H2由于其储氢量大、污染少、制备工艺相对成熟，所以得到了广泛的应用3.1.2 储氢合金的要求并不是所有合金都是储氢材料，也不是所有可以和氢反应的合金都可以用来储氢的一种合金要想成为储氢材料，并且大规模应用，需要满足一定的条要求储氢合金的要求包括：1. 吸氢能力的，易活化吸氢量希望达到 4%，易活化指在室温下，1MPaP H2下，反应 1-2 次开始饱和吸氢2. 金属氢化物生成热适当，过与稳定，不利释放3. 平衡氢压适当，平坦而宽，平衡压力适中4. 吸放氢快，滞后小若滞后大，吸放氢时需加热、冷却，或加、减压，不方便使用5. 传热性能好，不易粉化6. 对 O2、H2O、CO2、CO 等杂质敏感性小，反复吸放氢材料性能不致恶化7. 金属氢化物在此次、运输时性能可靠、安全8. 储氢合金化学性质稳定，经久耐用，反复吸放氢后衰减小9. 价格便宜，环境友好目前，储氢合金还不能完全满足以上要求，研究和开发高性能的储氢合金，是当今氢能研究的热点和难点3.1.3 储氢合金的分类储氢合金可以按其化学式形式分类，如 AB5 型、AB 2 型、AB 3 型、AB 型、A2B 型，也可以按照合金主要成分的不同而分类。

目前，储氢合金研究比较深入的主要有以下 5 种3.1.3.1 镁系镁系储氢合金作为最有潜力的金属。