高考中的“儲氫材料”

2019-03-27 06:03:10仝鵬

數理化解題研究 2019年7期

仝鵬

(陜西省西安市慶華中學 710025)

“儲氫材料”、“儲氫金屬”等名詞近年來在高考理綜試題中頻頻出現，學生平常的練習題中也開始屢見不鮮，筆者通過查閱資料，結合自己多年的教學感悟，搜集整理出有關概念和在高考中的應用，供我們一線同行拓展、分享.

一、儲氫材料簡介

1.發展背景

眾所周知，氫氣是公認的最具發展潛力的清潔能源，世界上許多國家和地區非常重視氫能的研究、開發與利用.但由于氫易燃易爆難液化，如何妥善解決氫能的貯存和運輸問題也就成為制約氫能開發的關鍵，傳統的儲氫手段如高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫等存在單位體積存儲量低、安全隱患大等問題.在這種背景下，探索新型儲氫方式成為科技工作者的研究熱點，研究成果突飛猛進，日新月異.

2.儲氫機理

目前主要新型儲氫方式是利用儲氫材料儲氫，主要包括儲氫合金儲氫、配位氫化物儲氫、碳質材料儲氫、有機液體氫化物儲氫、多孔材料儲氫等.儲氫材料屬于金屬材料，金屬材料中的化合物與化學中的化合物是完全不同的概念.比如Fe3C、VC等就不符合化合價規律，至于儲氫材料中的金屬氫化物，有兩類：其一是由Ⅰ和Ⅱ主族與氫作用，形成離子型氫化物，H以負離子嵌入金屬離子間形成.其二是Ⅲ和Ⅳ族過渡族金屬生成金屬型氫化物，H以正離子固溶于金屬晶格間隙形成.

儲氫合金在一定溫度和壓力下，能可逆地吸收、儲存和釋放氫氣，目前應用廣泛.儲氫合金目前三種:

(1)鎂系儲氫合金以Mg2Ni為基礎的儲氫合金.

(2)稀土系儲氫合金是以LaNi5為典型代表.在稀土金屬中加入某些第二種金屬形成合金后，能夠在較低溫度下實現吸氫，人們通常將這種合金稱為稀土儲氫合金.

(3)鈦系儲氫合金有鈦鐵系合金以TiFe合金為主、鈦錳系合金以TiMnl.5為主.

在金屬材料中，只有正常價化合物才符合化合價規律，其他的像電子化合物、間隙化合物、間隙相都不符合化合價規律，因此，不能夠用化合價來評價.所以，化合價這個詞不能夠推而廣之.

碳質儲氫材料是通過吸附作用進行儲氫的，是一種物理儲氫方法.碳質儲氫材料目前主要研究使用的是比表面積比較高的活性炭、石墨納米纖維和碳納米管.比表面積高的活性炭，單位質量表面積比常規活性炭大得多，吸附儲氫性能自然也較常規活性炭優越.在適度壓力、低溫條件下，活性炭吸氫量隨溫度的降低而急劇增大.高比表面積活性炭由于吸氫量大、可重復使用，具有良好的應用前景.碳纖維儲氫的原理與高比表面積活性炭有類似之處，其內部中空，表面則形成很多分子尺寸的微孔，導致很大的比表面積.碳納米管內部結構主要由呈六邊形排列的碳原子構成數層到數十層的同軸圓管，由于重量輕，且具有獨特的中空結構，應用于儲氫效果顯著，儲存的氫氣的密度堪比液態和固態氫.

絡合物儲氫材料目前研究最廣泛的絡合物儲氫材料主要為NaAlH4，在溫度超過200℃時，NaAlH4能夠分解出氫氣，理論計算的氫氣放出量約為6.9%.如能克服溫度的影響，實現較低溫度下的反應可逆化，就能通過NaAlH4來實現吸放氫過程.