如今，氫能已經(jīng)成為新能源中必*一種能源，尤其在綠色環(huán)保層面具有重要的意義。那么人們都在談?wù)摎淠?，你知道氫能?yīng)該如何保存嗎？都有哪些儲(chǔ)氫材料呢？本文將為您帶來(lái)詳細(xì)的解答。

儲(chǔ)氫材料簡(jiǎn)介

隨著工業(yè)的發(fā)展和人們物質(zhì)生活水平的提高 ，能源的需求也與日俱增。由于近幾十年來(lái)使用的能源主要來(lái)自化石燃料（如煤、石油和天然氣等），而其使用不可避免地污染環(huán)境 ，再加上其儲(chǔ)量有限 ，所以尋找可再生的綠色能源迫在眉睫。氫能作為一種儲(chǔ)量豐富、來(lái)源廣泛、能量密度高的綠色能源及能源載體，正引起人們的廣泛關(guān)注 。氫能的開發(fā)和利用受到美、日 、德、中、加等國(guó)家的高度重視 ，以期在21世紀(jì)中葉進(jìn)入“氫能經(jīng)濟(jì)（hydrogen economy）"時(shí)代 。氫能利用需要解決以下 3 個(gè)問(wèn)題：氫的制取 、儲(chǔ)運(yùn)和應(yīng)用 ，而氫能的儲(chǔ)運(yùn)則是氫能應(yīng)用的關(guān)鍵 。氫在通常條件下以氣態(tài)形式存在， 且易燃、易爆、易擴(kuò)散 ，使得人們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中要優(yōu)先考慮氫儲(chǔ)存和運(yùn)輸中的安全、高效和無(wú)泄漏損失，這就給儲(chǔ)存和運(yùn)輸帶來(lái)很大的困難 。

因此，儲(chǔ)氫材料（hydrogen storage material），就是一類能可逆地吸收和釋放氫氣的材料。

常見的儲(chǔ)氫材料

常見的儲(chǔ)氫材料有以下幾種：

1．合金儲(chǔ)氫材料

儲(chǔ)氫合金是指在一定溫度和氫氣壓力下，能可逆地大量吸收、儲(chǔ)存和釋放氫氣的金屬間化合物。

儲(chǔ)氫合金由兩部分組成，一部分為吸氫元素或與氫有很強(qiáng)親和力的元素（A），它控制著儲(chǔ)氫量的多少，是組成儲(chǔ)氫合金的關(guān)鍵元素，主要是ⅠA～ⅤB族金屬，如Ti、Zr、Ca、Mg、V、Nb、Re（稀土元素）；另一部分則為吸氫量小或根本不吸氫的元素（B），它則控制著吸／放氫的可逆性，起調(diào)節(jié)生成熱與分解壓力的作用，如Fe、Co、Ni、Cr、Cu、Al等。圖1列出了一些金屬氫化物的儲(chǔ)氫能力。

目前世界上已經(jīng)研制出多種儲(chǔ)氫合金，按儲(chǔ)氫合金金屬組成元素的數(shù)目劃分，可分為：二元系、三元系和多元系；按儲(chǔ)氫合金材料的主要金屬元素區(qū)分，可分為：稀土系、鎂系、鈦系、釩基固溶體、鋯系等；而組成儲(chǔ)氫合金的金屬可分為吸氫類（用A表示）和不吸氫類（用B表示），據(jù)此又可將儲(chǔ)氫合金分為：AB5型、AB2型、AB型、A2B型。

2．無(wú)機(jī)物及有機(jī)物儲(chǔ)氫材料

一些無(wú)機(jī)物（如 N2 、CO 、CO2）能與 H2 反應(yīng) ，其產(chǎn)物既可以作燃料， 又可分解獲得 H2 ，是一種目前正在研究的儲(chǔ)氫新技術(shù)。如碳酸氫鹽與甲酸鹽之間相互轉(zhuǎn)化的儲(chǔ)氫反應(yīng)，反應(yīng)以 Pd 或 PdO 作催化劑，吸濕性強(qiáng)的活性炭作載體， 以 KHCO3 或 NaHCO3 作儲(chǔ) 氫劑儲(chǔ) 氫量可達(dá)2wt ％。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是便于大量地儲(chǔ)存和運(yùn)輸，安全性好，但儲(chǔ)氫量和可逆性都不是很好 。

有些金屬可與水反應(yīng)生成氫氣 。例如 Na， 反應(yīng)后生成 NaOH ，其氫氣的質(zhì)量?jī)?chǔ)存密度為 3wt ％。雖然這個(gè)反應(yīng)是不可逆的， 但是 NaOH 可以通過(guò)太陽(yáng)能爐還原為金屬 Na 。同樣， Li 也有這種過(guò)程 ， 其氫氣的質(zhì)量?jī)?chǔ)存密度為 6．3wt ％。這種儲(chǔ)氫方式的主要難點(diǎn)是可逆性和控制金屬的還原 。目前， 對(duì)于 Zn的應(yīng)用較成功。

Li3N 的理論吸氫量為 11．5wt ％，在 255 ℃氫氣氛中保持半個(gè)小時(shí)， 總吸氫量可達(dá) 9．3wt ％。在 200 ℃下， 給予足夠的時(shí)間， 還會(huì)有吸收 。在 200 ℃真空（1 mPa）下， 6．3wt ％的氫被釋放 ，剩余的氫要在高溫（高于 320 ℃）下， 才能被釋放 。與其他金屬氫化物不同的是， 在 PCT 曲線中，Li3N 有兩個(gè)平臺(tái)：個(gè)有較低的平臺(tái)壓， 第二個(gè)則是一個(gè)斜坡。

有機(jī)物儲(chǔ)氫技術(shù)始于 20 世紀(jì) 80 年代。有機(jī)物儲(chǔ)氫是借助不飽和液體有機(jī)物與氫的一對(duì)可逆反應(yīng)，即利用催化加氫和脫氫的可逆反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。加氫反應(yīng)實(shí)現(xiàn)氫的儲(chǔ)存（化學(xué)鍵合），脫氫反應(yīng)實(shí)現(xiàn)氫的釋放。有機(jī)液體氫化物儲(chǔ)氫作為一種新型儲(chǔ)氫技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)：儲(chǔ)氫量大， 如苯和甲苯的理論儲(chǔ)氫量分別為 7．19wt ％和 6．18wt ％；儲(chǔ)氫劑和氫載體的性質(zhì)與汽油類似 ，因而儲(chǔ)存、運(yùn)輸 、維護(hù)、保養(yǎng)安全方便， 便于利用現(xiàn)有的油類儲(chǔ)存和運(yùn)輸設(shè)施；不飽和有機(jī)液體化合物作儲(chǔ)氫劑可多次循環(huán)使用， 壽命可達(dá) 20 年。但這類方法在加氫、脫氫時(shí)條件比較苛刻 ，而且所使用催化劑易失活，因而還在做進(jìn)一步的研究。

3．納米儲(chǔ)氫材料

納米材料由于具有量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)及表面效應(yīng)，呈現(xiàn)出許多*的物理、化學(xué)性質(zhì)， 成為物理、化學(xué)、材料等學(xué)科研究的前沿領(lǐng)域。儲(chǔ)氫合金納米化后同樣出現(xiàn)了許多新的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性， 如活化性能明顯提高， 具有更高的氫擴(kuò)散系數(shù)和優(yōu)良的吸放氫動(dòng)力學(xué)性能。納米儲(chǔ)氫材料通常在儲(chǔ)氫容量、循環(huán)壽命和氫化－脫氫速率等方面比普通儲(chǔ)氫材料具有更優(yōu)異的性能， 比表面積和表面原子數(shù)的增加使得金屬性質(zhì)發(fā)生變化， 具有了塊體材料所沒有的性質(zhì)。由于粒徑小， 氫更容易擴(kuò)散到金屬內(nèi)部形成間隙固溶體， 表面吸附現(xiàn)象也更加顯著，因而儲(chǔ)氫材料的納米化已成為當(dāng)今儲(chǔ)氫材料的研究熱點(diǎn)。儲(chǔ)氫合金納米化為高儲(chǔ)氫容量的儲(chǔ)氫材料的研究提供了新的研究方向和思路。

有科學(xué)家總結(jié)了納米儲(chǔ)氫合金優(yōu)異動(dòng)力學(xué)性能的原因： （ 1） 大量的納米晶界使得氫原子容易擴(kuò)散； （ 2） 納米晶具有*的比表面， 使氫原子容易滲透到儲(chǔ)氫材料內(nèi)部； （ 3） 納米儲(chǔ)氫材料避免了氫原子透過(guò)氫化物層進(jìn)行長(zhǎng)距離擴(kuò)散， 而氫原子在氫化物中的擴(kuò)散是控制動(dòng)力學(xué)性能主要的因素。通常情況下 Ni－Al 合金不具備吸氫特性， 韋建軍等采用自 懸 浮 定 向 流 法 制 備 出 單 相 金 屬 間 化 合 物AlNi 納米微粒， 納米 AlNi 在一定條件下， 可在 90—100℃ 實(shí)現(xiàn)吸氫－放氫過(guò)程， 其大吸附量可達(dá)到材料自重的 7． 3％ 。

4．碳質(zhì)材料儲(chǔ)氫

吸附儲(chǔ)氫是近幾年來(lái)出現(xiàn)的新型儲(chǔ)氫方法，具有安全可靠和儲(chǔ)存效率高等優(yōu)點(diǎn)。而在吸附儲(chǔ)氫的材料中，碳質(zhì)材料是好的吸附劑，不僅對(duì)少數(shù)的氣體雜質(zhì)不敏感，而且可反復(fù)使用。碳質(zhì)儲(chǔ)氫材料主要是高比表面積活性炭（AC）、石墨納米纖維（GNF）、碳納米管（CNT）。

5．配位氫化物儲(chǔ)氫

配位氫化物儲(chǔ)氫是利用堿金屬（Li、Na、K等）或堿土金屬（Mg、Ca等）與第三主族元素可與氫形成配位氫化物的性質(zhì)。其與金屬氫化物之間的主要區(qū)別在于吸氫過(guò)程中向離子或共價(jià)化合物的轉(zhuǎn)變，而金屬氫化物中的氫以原子狀態(tài)儲(chǔ)存于合金中。

但是，配位氫化物室溫下它的分解速率很低，如LiBH4、NaBH4等金屬硼氫化物在干燥或惰性氣氛中，要到300℃以上才能分解釋放氫氣，而且其循環(huán)性能的研究也較少。為此，Bogdanovic等以NaAlH4為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)催化劑能降低其反應(yīng)活化能，且Ti4＋較Zr4＋的催化性能要好。

對(duì)于配位氫化物的研究開發(fā)，索新的催化劑或?qū)F(xiàn)有催化劑（Ti、Zr、Fe）進(jìn)行優(yōu)化組合以改善其低溫放氫性能，以及循環(huán)性能方面還需做更進(jìn)一步的研究。

6．水合物儲(chǔ)氫

氣體水合物，又稱孔穴形水合物，是一種類冰狀晶體，由水分子通過(guò)氫鍵形成的主體空穴在很弱的范德華力作用下包含客體分子組成。

水合物通常有3種結(jié)構(gòu)，具體見圖2和表2。很多氣體或易揮發(fā)性液體都能在一定的溫度和壓力條件下和水生成氣體水合物，例如天然氣、二氧化碳以及多種氟里昂制冷劑。

水合物儲(chǔ)存氫氣具有很多的優(yōu)點(diǎn)：首先，儲(chǔ)氫和放氫過(guò)程*互逆，儲(chǔ)氫材料為水，放氫后的剩余產(chǎn)物也只有水，對(duì)環(huán)境沒有污染，而且水在自然界中大量存在并價(jià)格低廉；其次，形成和分解的溫度壓力條件相對(duì)較低、速度快、能耗少。粉末冰形成氫水合物只需要幾分鐘，塊狀冰形成氫水合物也只需要幾小時(shí)；而水合物分解時(shí)，因?yàn)闅錃庖苑肿拥男螒B(tài)包含在水合物孔穴中，所以只需要在常溫常壓下氫氣就可以從水合物中釋放出來(lái)，分解過(guò)程非常安全且能耗少。因此，研究采用水合物的方式來(lái)儲(chǔ)存氫氣是很有意義的，美國(guó)、日本、加拿大、韓國(guó)和歐洲已經(jīng)開始了初步的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析工作。

儲(chǔ)氫方式

常見的儲(chǔ)氫方式有以下幾種：

1．氣態(tài)儲(chǔ)氫

氣態(tài)存儲(chǔ)是對(duì)氫氣加壓，減小體積，以氣體形式儲(chǔ)存于特定容器中，根據(jù)壓力大小的不同，氣態(tài)儲(chǔ)存又可分為低壓儲(chǔ)存和高壓儲(chǔ)存。氫氣可以像天然氣一樣用低壓儲(chǔ)存，使用巨大的水密封儲(chǔ)槽。該方法適合大規(guī)模儲(chǔ)存氣體時(shí)使用。由于氫的密度太低，應(yīng)用不多。氣態(tài)高壓儲(chǔ)存是普通和直接的儲(chǔ)存方式，通過(guò)高壓閥的調(diào)節(jié)就可以直接將氫氣釋放出來(lái)。普通高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是一種應(yīng)用廣泛、簡(jiǎn)便易行的儲(chǔ)氫方式 ，而且成本低， 充放氣速度快 ， 且在常溫下就可進(jìn)行。但其缺點(diǎn)是需要厚重的耐壓容器， 并要消耗較大的氫氣壓縮功， 存在氫氣易泄漏和容器爆破等不安全因素 。一個(gè)充氣壓力為 15 MPa 的標(biāo)準(zhǔn)高壓鋼瓶?jī)?chǔ)氫重量?jī)H約為 1．0 ％；供太空用的鈦瓶?jī)?chǔ)氫重量也僅為 5 ％ ?？梢姡?高壓鋼瓶?jī)?chǔ)氫的能量密度一般都比較低。

2．液態(tài)儲(chǔ)氫

氫氣在一定的低溫下 ，會(huì)以液態(tài)形式存在 。因此， 可以使用一種深冷的液氫儲(chǔ)存技術(shù)———低溫液態(tài)儲(chǔ)氫 。與空氣液化相似， 低溫液態(tài)儲(chǔ)氫也是先將氫氣壓縮 ，在經(jīng)過(guò)節(jié)流閥之前進(jìn)行冷卻 ，經(jīng)歷焦耳－湯姆遜等焓膨脹后， 產(chǎn)生一些液體。將液體分離后 ，將其儲(chǔ)存在高真空的絕熱容器中， 氣體繼續(xù)進(jìn)行上述循環(huán) 。液氫儲(chǔ)存具有較高的體積能量密度 。常溫 、常壓下液氫的密度為氣態(tài)氫的 845 倍， 體積能量密度比壓縮儲(chǔ)存要高好幾倍， 與同一體積的儲(chǔ)氫容器相比，其儲(chǔ)氫質(zhì)量大幅度提高 。液氫儲(chǔ)存工藝特別適宜于儲(chǔ)存空間有限的運(yùn)載場(chǎng)合 ， 如航天飛機(jī)用的火箭發(fā)動(dòng)機(jī) 、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和洲際飛行運(yùn)輸工具等 。若僅從質(zhì)量和體積上考慮 ，液氫儲(chǔ)存是一種極為理想的儲(chǔ)氫方式。但是由于氫氣液化要消耗很大的冷卻能量 ，液化 1kg 氫需耗電 4 —10kW·h ，增加了儲(chǔ)氫和用氫的成本。另外液氫儲(chǔ)存容器必須使用超低溫用的特殊容器 ，由于液氫儲(chǔ)存的裝料和絕熱不完善容易導(dǎo)致較高的蒸發(fā)損失 ， 因而其儲(chǔ)存成本較貴，安全技術(shù)也比較復(fù)雜。高度絕熱的儲(chǔ)氫容器是目前研究的重點(diǎn)。

3．固態(tài)儲(chǔ)氫

固態(tài)儲(chǔ)存是利用固體對(duì)氫氣的物理吸附或化學(xué)反應(yīng)等作用，將氫儲(chǔ)存于固體材料中。固態(tài)儲(chǔ)存一般可以做到安全、高效、高密度，是氣態(tài)儲(chǔ)存和液態(tài)儲(chǔ)存之后，有前途的研究發(fā)現(xiàn)。固態(tài)儲(chǔ)存需要用到儲(chǔ)氫材料，需找和研制高性能的儲(chǔ)氫材料，成為固態(tài)儲(chǔ)氫的當(dāng)務(wù)之急，也是未來(lái)儲(chǔ)氫發(fā)展和乃至整個(gè)氫能利用的關(guān)鍵。

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