儲氫材料現狀和發(fā)展前景的研究＊

秦天像，楊天虎，甘生萍

（酒泉職業(yè)技術學院，甘肅省太陽能發(fā)電系統工程重點實驗室，甘肅 酒泉 735000）

儲氫材料現狀和發(fā)展前景的研究＊

秦天像，楊天虎，甘生萍

（酒泉職業(yè)技術學院，甘肅省太陽能發(fā)電系統工程重點實驗室，甘肅 酒泉 735000）

氫能作為一種新型的能量密度高的綠色能源,?正引起世界各國的重視。儲存技術是氫能利用的關鍵。儲氫材料是當今研究的重點課題之一,也是氫的儲存和輸送過程中的重要載體。本文綜述了目前已采用或正在研究的儲氫材料、發(fā)展前景和方向。

儲氫材料；發(fā)展前景；研究方向

能源和資源是人類賴以生存和發(fā)展的源泉。隨著社會的快速發(fā)展,全球能源和資源正在以越來越快的速度消耗。面對這種能源和資源的枯竭的嚴重挑戰(zhàn),新能源開發(fā)利用受到越來越高的關注。新能源一方面作為傳統能源的補充，另一方面可有效降低環(huán)境污染。在新的能源領域中,潔凈無污染的氫能利用技術正在以飛快的速度發(fā)展,己引起工業(yè)界的熱切關注。但如何有效地解決氫能儲存問題是當今社會面臨的一個科技難題，本文就只對儲氫方式、儲氫材料及發(fā)展前景做了探討。

1 儲氫方式

氫能的存儲只有3種方式:液態(tài)、高壓氣態(tài)和固態(tài)儲氫,這三種儲氫方式有各自的優(yōu)點和缺點。固態(tài)儲氫方式能有效克服氣、液兩種存儲方式的不足,且儲氫體積密度大、操作容易,特別適合于對體積要求較嚴格的場合,如在燃料電池汽車上的使用。固態(tài)儲氫材料主要有:金屬氫化物、多孔吸附材料和配位氫化物等,其中金屬氫化物儲氫的研究已有30多年,而其他兩種的研究相對較晚一些。多孔吸附材料分為物理吸附和化學吸附兩大類,如硫化物納米管、碳納米管、活性炭和BN納米管等。下面將簡要介紹儲氫材料。

2 金屬及其氧化物系列儲氫材料

儲氫技術是氫能利用走向規(guī)模化、實用化的關鍵技術。金屬儲氫材料通常由一種吸氫元素或與氫有很強親和力的元素和另一種吸氫量小或根本不吸氫的元素共同組成。

鎂系合金的儲氫密度很高，但放氫溫度高，吸放氫速度慢，因此研究鎂系合金在儲氫過程中的關鍵問題，很可能是解決氫能規(guī)模儲運的重要途徑。因此對金屬Mg表面催化改性引起了研究者的興趣。近年來，有人利用射頻噴濺方法制備了Pd包覆的納米結構的多層Mg薄膜，并對儲氫性質進行了研究。結果顯示，在1000C,3MPa氫氣壓力條件下，氫的吸附量約為85wt%，薄膜在1000C真空的條件下釋放出全部的氫。研究表明四氫呋喃處理的鎂在1000C,5MPa條件下吸附了9wt%的氫，同時四氫吠喃的處理改善了鎂吸附-脫附氫的動力學，在623K具有較理想的反應速率。

3 碳質儲氫材料

碳質材料是最好的吸附儲氫材料。碳質儲氫材料主要有碳納米纖維、碳納米管、活性炭、石墨納米纖維等4種。

3.1 碳納米纖維

碳納米纖維是吸附儲氫材料，通過催化裂解乙炔制備了碳納米纖維,選用CO2氧化、二氧化錳氧化、硝酸氧化、鹽酸氧化和水蒸汽氧化5種后處理方式得到5種樣品。結果表明,通過水蒸汽氧化得到的材料的吸附效果相對最好,在367K、26MPa下,吸附質量分數為1.34%。雖然實驗中制備的材料沒有顯示良好的吸附性能,但實驗所介紹的吸附性能評價方法為未來碳納米纖維的儲氫性能研究提供了基礎。

3.2 碳納米管

1997年,美國可再生能源國家實驗室的Dillon等首次報道了碳納米管儲氫的實驗結果,純的碳納米管的質量儲氫能力可達5%～10%,因此成為世界范圍內的研究熱點。清華大學碳納米材料研究人員能將碳納米管混以銅粉后能制成電極,之后進行恒流充放電的實驗。實驗表明,混以銅粉的碳納米管電極的儲氫量是石墨電極的10倍。

3.3 活性炭

活性炭儲氫是利用超高比的表面積活性炭作為吸附劑的吸附儲氫技術。研究表明,在超級低溫86K、5～8MPa條件下,超級活性炭儲氫質量分數可達625%～845%。通過高硫焦制備的超級活性炭,在100K和9MPa條件下,儲氫質量可達到993%。超級活性炭儲氫材料具有儲氫量高、經濟、易實現規(guī)模化生產和循環(huán)使用壽命長等優(yōu)點,但所需溫度要超級低,今后研究的重點將放在提升其儲氫溫度方面。

3.4 石墨納米纖維

ChambersA等在實驗室里采用了催化裂解法得到了4種結構的石墨納米纖維,在室溫和18.6MPa下,測得4種石墨納米纖維的儲氫質量分別約為23%、63%、76%和89%,現有的理論根本無法解釋如此高的吸附量。科研人員對石墨納米纖維的儲氫性能進行了大量的研究,均未達到Cham2bers得到的高儲氫量,認為石墨納米纖維高密度儲氫希望渺茫。

4 液態(tài)有機物儲氫材料

液體有機儲氫材料儲氫是借助在不飽和液體有機物與氫的一對可逆反應,即脫氫和加氫反應來實現的。烴、芳烴、炔烴等不飽和有機液體均可作儲氫材料,但是從儲氫過程的儲氫量、能耗、儲氫劑等方面考慮,以芳烴特別是單環(huán)芳烴作儲氫劑為佳,其儲氫特點是有機液的儲存、運輸安全方便,能方便的利用現有的運輸設備和儲存,有利于長距離大量運輸，儲氫量也很大。

5 亞氨基鋰儲氫材料

因為氨具有較高的氫含量、較高的能量密度、也能易于儲存和運輸，在分解過程中也不產生一氧化碳、二氧化碳，所以被認為是一種儲氫容量高、安全性能很好的固體儲氫材料，是具有潛在應用前景的新型能源載體，還可以進一步發(fā)展新型氨分解催化劑體系，不僅能從新的角度闡釋了堿金屬助劑的作用，也為高效催化劑的設計，尤其是替代貴金屬催化劑的設計提供了新的思路。

6 展望

安全性氫能的儲存密度以及加注基礎設施等氫能相關技術的發(fā)展和社會需求之間還存在著一定的差距,所以研究的力度還有待于進一步加強,才能達到實際應用水平。隨著科學技術的進步,氫能將會走進千家萬戶,成為人類長期依靠的一種通用燃料,并和電力一起成為21世紀能源體系的兩大支柱。

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TG139.7

甘肅省科技創(chuàng)新平臺專項資助（144JTCF256)。