淺談儲氫材料的研究現(xiàn)狀

譚景祥 王星磊 曲 偉

（1青島市生態(tài)環(huán)境局市北分局環(huán)境監(jiān)測站 山東青島 266000 2青島市環(huán)境監(jiān)測中心站 山東青島 266000）

引言

目前，氣態(tài)壓縮與液化以及通過一些金屬材料的吸附是目前氫能的主要儲存方式，但這種方式耗能大，同時還有許多安全隱患的存在。所以，研發(fā)一種能在室溫下能夠?qū)錃膺M行高密度儲存的新型儲氫材料成為一大趨勢。

1 研究意義與背景

隨著社會的發(fā)展，粉塵、酸雨、溫室效應(yīng)、臭氧層空洞的現(xiàn)象頻發(fā)，化石燃料的燃燒對環(huán)境帶來了巨大的沖擊。而氫能作為未來最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉矗淝鍧崱⒖沙掷m(xù)等眾多優(yōu)勢引起了全社會廣泛的關(guān)注。

2 氫能源的優(yōu)點和難點

氫氣作為一種新的理想能源的優(yōu)點：（1）氫普遍存在于自然界中，而且也也很豐富，據(jù)估算氫在宇宙質(zhì)量中占據(jù)約75%，氫主要是以單質(zhì)氫以及化合物水的形式存在。（2）氫氣不僅具有高達121061 kJ/kg的發(fā)熱值，而且能夠快速燃燒，與空氣混合可燃范圍廣，燃燒性能好。（3）氫在氧氣中燃燒產(chǎn)物單一，只產(chǎn)生水這種綠色能源。（4）氫氣其應(yīng)用安全，五毒、高揮發(fā)性，分解水制氫，燃燒釋放能量產(chǎn)生水，可實現(xiàn)物質(zhì)循環(huán)使用和能量的便攜分散。

然而，在對氫能的利用過程中又有很多難點：（1）目前耗能大、效率低都阻礙氫的制備。（2）氫氣易氣化、著火、爆炸帶來安全隱患。（3）氫能的規(guī)模化應(yīng)用也收到儲氫和運輸技術(shù)的制約。

3 儲氫材料的研究現(xiàn)狀

液化儲氫、高壓儲氫、非金屬及金屬材料的固體儲氫是目前氫氣的主要儲存方式。儲氫的吸附主要有化學(xué)吸附和物理吸附兩種方式。

3.1 高壓壓縮氣態(tài)儲氫

作為一種簡便易行、技術(shù)相對成熟、應(yīng)用廣泛的儲氫方式，高壓壓縮氣態(tài)儲氫在常溫下就可進行，而且充放速度快，同時成本低。但厚重的耐壓容器、高耗能的氣體壓縮功易造成容器爆破和氣體泄漏，存在眾多不安全因素[1]。

3.2 低溫液化液態(tài)儲氫

在超低溫下，將氫氣液化，使其在高真空的絕熱熔器中以液體形式存在，這就是低溫液化液態(tài)儲氫。這種方式儲氫體積能量密度較高，常溫、常壓下液氫密度是氣態(tài)氫的845倍，但是這需要消耗很大的能量，大大增加了成本。

3.3 金屬氫化物儲氫

目前研究較多，發(fā)展較快的是金屬氰化物儲氫，其儲氫密度約相當(dāng)于標態(tài)下氫氣的1000倍。其反應(yīng)機理為：

該金屬通過與氫發(fā)生一系列良好的可逆性反應(yīng)來進行氫的存儲，而鎂基、鈦基、鋯系、稀土系、釩基固溶體等合金的金屬儲氫材料已趨于成熟，并且具備了一定的使用價值。

3.4 配位氫化物儲氫

在目前眾多的儲氫材料中，氫化物儲氫材料具有極高的體積和質(zhì)量儲氫密度[2]。此類儲氫材料中，以堿金屬或堿土金屬為最佳，而其中的鋁氫化物和硼氫化物又具有最高的儲氫質(zhì)量密度[3]，因此而被廣泛研究。在NaAlH4中Al與Na之間以離子鍵方式結(jié)合，Al與4個H之間以共價鍵方式結(jié)合。

3.5 有機液體儲氫材料

不飽和液體有機物與氫之間可實現(xiàn)可逆反應(yīng)，通過加氫反應(yīng)和脫氫反應(yīng)有機液體氰化物從而進行儲氫。該類材料具有儲氫量大，便于儲存、運輸和可循環(huán)使用的特點，加氫反應(yīng)中放出大量熱量也可供利用。目前的研究表明，只有苯、甲苯因其脫氫過程可逆且儲氫量大，可作為較理想的有機儲氫材料。

3.6 多孔吸附儲氫材料

在當(dāng)前儲氫材料開發(fā)和研究中，多孔吸附儲氫材料自身具有工作壓力低、儲存容器重量輕，形狀選擇余地大等優(yōu)勢，因此讓其的發(fā)展和研究前景廣闊。以礦物多孔材料、金屬有機物多孔材料、碳基多孔材料和非碳納米管類材料為代表的多孔吸附儲氫材料成為研究焦點。

3.7 硼基納米材料

在硼基納米材料中，硼和碳都是輕元素，硼缺電子的結(jié)構(gòu)又使其具有特殊屬性，因此該材料具有更好的儲氫性能。然而過渡金屬原子的存在，又使團聚的問題很容易發(fā)生，于是有人提出用硼原子來取代原有的碳原子，硼原子自身存起缺電子結(jié)構(gòu)，在石墨烯、富勒烯、納米管等中摻雜硼原子，這樣既可以使過渡金屬原子的電子轉(zhuǎn)移向納米材料，又可使過渡金屬原子與納米材料之間的反饋作用減少，同時體系中可利用的電子也將減少。

結(jié)語

當(dāng)今，各種儲氫材料的結(jié)構(gòu)、性能、制備和應(yīng)用等方面的研究均積累了大量的成果。在商業(yè)化推進中，儲氫材料仍要解決降低成本、簡化工藝、便攜而高含量、速度快可逆吸放、壽命長、可循環(huán)使用等條件，才能在更大程度上符合使用要求。