高容量储氢材料的研究进展*

安全、高效、经济的氢储存技术是氢能大规模应用的关键。相对于高压气态储氢和低温液化储氢,通过氢与材料间的相互作用形成固溶体或氢化物的固态氢储存由于其好的安全性和高的能量密度,被认为是最有发展前景的一种氢储存技术。为了满足车载氢源系统重量储氢密度大于5%的要求,目前发展中的高容量储氢材料主要包括金属铝氢化物、硼氢化物、氮氢化物和氨基硼烷化合物。作者简要综述了最近几年这些高容量储氢材料的研究进展,重点关注材料的储氢容量、吸放氢反应热力学、吸放氢反应动力学和吸放氢机理以及成分调变、催化改性和尺寸效应对材料储氢性能的影响。     

镁基储氢合金吸放氢机理及组织与性能调控

随着能源危机和环境问题的日益加剧，迫切需要寻求一种高效的可再生能源，而氢能被认为是最具前景的能量载体之一。氢燃料电池是氢能利用的最主要形式，其中车载储氢需要更轻便、紧凑和经济的体系来取代高压气体储氢装置。作为最具潜力的固体储氢体系之一，镁基储氢材料具有诸多优点，但阻碍其实际应用的瓶颈问题同样难以克服。文章通过介绍镁基储氢材料的吸放氢机理，阐述了热力学和动力学性能对其实际应用的制约及成因，归纳了当前的研究方法和进展，包括主要的组织调控和材料改性方法，并对镁基储氢的发展前景进行了展望。     

镁基储氢合金吸放氢机理及组织与性能调控

随着能源危机和环境问题的日益加剧,迫切需要寻求一种高效的可再生能源,而氢能被认为是最具前景的能量载体之一。氢燃料电池是氢能利用的最主要形式,其中车载储氢需要更轻便、紧凑和经济的体系来取代高压气体储氢装置。作为最具潜力的固体储氢体系之一,镁基储氢材料具有诸多优点,但阻碍其实际应用的瓶颈问题同样难以克服。文章通过介绍镁基储氢材料的吸放氢机理,阐述了热力学和动力学性能对其实际应用的制约及成因,归纳了当前的研究方法和进展,包括主要的组织调控和材料改性方法,并对镁基储氢的发展前景进行了展望。     

镁基储氢材料的热力学和动力学*

金属和合金的吸放氢反应是储氢材料进行的基本物理化学反应。它应服从基本的热力学和动力学规律。为此,想要改善储氢材料的性能,研发新型的储氢材料就需要对此过程的理论和实验两方面作深入的研究。通过热力学和相图能估算储氢的能力,预估吸放氢的可能温度,但要使储氢材料变得切实可行,还需要靠动力学方面的工作。笔者从热力学和相图入手,研究了储氢材料的特征,分析了传统的动力学处理方法的缺陷,提出了新的动力学模型,从而将为寻求新型的储氢材料提供有效的工具。笔者还总结了从实验上探索的一些新型储氢体系。     

纳米碳管与氢能

世界人口快速增长、化石能源渐趋匮乏、环境污染日益严重是人类在21世纪亟待解决的三大难题.氢能是一种洁净的可再生能源,氢燃料电池汽车将是解决城市大气污染的最重要途径之一.因此各国科学家均在致力于研究高储量的储氢材料与系统,最有潜力者被认为是纳米炭材料的吸附储氢.高纯度单壁纳米碳管的合成是应用的基础和关键,我们采用氢等离子电弧方法,大量制备出高纯度的单壁纳米碳管,并全面开展储氢研究.初步结果表明单壁纳米碳管是一种很有前途的储氢材料,可能在氢能源的应用特别是氢燃料电池电动汽车的应用中占据重要地位,促进人类经济与社会实现可持续发展.     

气相低温高压储氢密度和能耗的理论分析及比较

如何安全、高效、经济地储存氢气已成为氢能利用进一步发展的瓶颈.传统储氢手段,如室温高压储氢、液化储氢、金属氢化物储氢等存在或储氢密度低、或液化功率高、或需高温加热再生释氢等问题.为此,本文提出一种在氢气临界压力之上的低温高压储氢方式,可在压力不必太高,温度不必太低的情况下实现储氢释氢过程.分析发现,综合储氢密度及储氢能耗, 3种物理储氢方法优劣为:低温高压储氢室温70 MPa储氢液化储氢;在储氢压力10 MPa以上存在单位储氢能耗下的储氢密度极大值.本文推荐低温高压储氢参数为:50 MPa,100 K;45 MPa,100 K; 40 MPa, 90 K; 35 MPa, 80 K; 30 MPa, 70 K,其储氢密度在62.3～65.3 kg/m~3之间.     

纳米尺寸的氮化镁的合成

催化合成的氢化镁(MgH_2)作为储氢材料,在吸放氢动力学性能以及在有机和无机合成反应中的应用等方面,明显优于高温高压下合成的MgH_2.在研究掺杂对催化合成MgH_2及其性能的影响的实验中,我们发现催化合成的MgH_2在氮气氛下的差热分析(DTA)曲线于MgH_2的脱氢吸热峰后出     

设计新型高容量储氢材料*

作者总结了近年来金属胺基化合物氢化物体系、氨硼烷及其衍生物储氢材料的研究进展。分别重点介绍了这些材料体系的储氢性能、反应机理及反应热力学和动力学性质,并在此基础上强调了储氢材料的设计理念,即改变材料化学组成调变其热力学性能,催化修饰以提升材料脱氢动力学性能。     

MNi4.8Sn0.2(M=La, Nd)合金粒子负载的纳米碳管复合储氢材料

采用浸渍-还原法制备了LaNi_4.8Sn_0.2/CNTs和NdNi_4.8Sn_0.2/CNTs两种复合材料, 在室温、1.0 MPa氢压下, 分别可获得2.96%和2.88% (质量分数)的储氢量. 在相同条件下, 该储氢值为MNi_4.8Sn_0.2(M = La, Nd)合金粒子储氢量的3倍, 此结果可归因于合金粒子与纳米碳管(CNTs)之间的协同作用. XRD和TEM测试结果表明, 合金粒子粒径在30 nm左右且较均匀地分布在CNTs载体上. 储放氢实验显示, 两种复合材料有较好的储氢稳定性, 经历100个吸放氢周期后, 其储氢降低率小于6%; 同时, 材料的晶体结构没有发现明显的变化.     

单分子层吸附机理对储氢材料研究的冲击

由于氢对可再生能源与解决温室效应问题的重要性, 储氢研究备受关注. 吸附是压缩气体的有效途径, 因此被用于开发储氢技术. 但在有工程意义的温度下氢是超临界温度气体, 其吸附机理与临界温度以下气体不同. 本文阐释了为什么在临界温度以上的吸附是单分子层的及其对储氢研究的影响. 尽管有赞成和反对的不同意见, 理解超临界温度吸附机理对于储氢材料研究是至关重要的, 因为该机理表明, 无论是何种新奇材料, 只要其储氢原理基于吸附, 一定不能满足车载储氢的实际需求.     

氨硼烷:一种高性能化学储氢材料

世界范围内能源危机,气候和环境问题日渐凸显,亟需寻找合适的可替代能源.在众多新型能源中,氢能作为一种储量丰富、燃烧无污染、能量密度高的绿色能源,可以为燃料电池提供高效稳定的动力来源而引起广泛关注,如何将其安全高效的储存是氢气应用于车载燃料电池的技术瓶颈.硼氮氢类化合物由于具有储氢密度高、释氢条件温和等优点成为学术界关注热点.氨硼烷(ammonia borane,AB)为代表性化合物,其含氢量高(19.6%,质量百分比)、热稳定性适中、释氢温度低,被认为是最具潜力的新型储氢材料之一.氨硼烷中的一个正氢被金属原子取代后形成的金属氨硼烷(metal amidoborane,MAB),可以有效抑制硼吖嗪的生成.研究者们对这类储氢化合物进行了大量的理论和实验研究,改进其性能,降低释氢温度,缩短诱导期,减少挥发性有害气体硼吖嗪、氨气、乙硼烷的生成.本文从氨硼烷结构中特殊的双氢键入手,总结了氨硼烷的合成方法,并详细综述了添加剂对氨硼烷和金属氨硼烷释氢性能的影响,介绍了氨硼烷的再生以及在其他方面的研究进展,最后展望了氨硼烷的研究前景.     

TiO2@V2O5空心纳米球催化剂增强MgH2体系储氢性能

氢化镁(MgH₂)是一种具有高储氢容量(7.6 wt%)的固态储氢材料,但其热力学稳定性高,动力学缓慢,限制了广泛应用.双金属氧化物催化剂对MgH₂储氢性能的积极影响已被许多研究者认可.本文采用简便的方法合成了具有纳米空心球结构的TiO₂@V₂O₅双金属氧化物催化剂.添加12 wt%TiO₂@V₂O₅后,MgH₂的起始解吸温度显著降低至204℃.在100℃条件下,MgH₂在15 min内吸附4.21 wt%的H₂,在300℃条件下释放6.18 wt%的H₂,MgH₂的活化能从142.78 kJ/mol降低到86.47 kJ/mol.差示扫描量热分析(differential scanning calorimeter,DSC)结果表明,MgH₂的氢解吸活化能从197 kJ/mol降低到...     

射频溅射LaNi_5薄膜的吸氢性能研究

LaNi_5是一种研究最活跃的储氢材料,同时LaNi_5薄膜在氢分离、氢电池和氢探测器等领域内呈现出较有希望的应用前景.国外对此已经开始广泛的研究,而国内对储氢薄膜的研究尚未起步.     

用XPS研究LaNi_5在氢气氛下加热时的表面离析作用

LaNi_5由于具有独特的可逆吸氢性能,因而被认为是未来能源中一种最有希望的储氢材料,近年来,无论对其吸氢能力、表面结构以及氢在LaNi_5氢化物中的位置等都进行了广泛的研究,而且,LaNi_5中的氢是以原子态存在的,具有较高的催化加氢活性,因此,也引起了国内外催化工作者的普遍重视,关于LaNi_5表面性质的研究,文献上已有关于LaNi_5表面组成随充氢次数改变的报道,本文介绍用XPS研究LaNi_5在氢气氛中加热处理时表面组成变化的结果。     

车载储氢技术的发展与挑战*

研发高效、安全、低成本的车载储氢系统对发展氢燃料电池汽车至关重要,也面临诸多挑战。美国能源部关于车载储氢系统的技术指标不是针对某种特定的储氢方式,而是参照当今使用汽油的轿车性能指标提出的。经过近十年的努力,基于气态、液态和固态的三种车载储氢方式的燃料电池汽车均有许多成功的示范案例。但由于存在不同程度的缺陷与不足,三种储氢方式中尚无一种能同时满足各项指标。高压气态储氢的体积密度偏低,提高压力又会带来安全隐患;液态储氢有自挥发和高成本的问题;基于储氢材料为工作介质的固态储氢尚需研发高性能的轻质储氢材料。笔者评述了国内外在车载储氢技术方面所取得的新成果与新进展。     

从碳到氢能源:昨天、今天、明天

简述了近期能源的发展动向,特别以氢能源为重点,就产氢、储氢及利用氢三个方面进行阐述。氢气作为高能量密度的燃料载体在提供能量的过程中可实现或接近实现无碳排放。作者及团队发现,将分散式电解水产氢技术应用在燃料电池模型汽车上,模型车的运行速度及里程可提高30%以上。     

MOFs基多孔碳材料在气体吸附与分离中的应用

气体的吸附与分离对于减缓温室效应、普及清洁能源以及治理挥发性有机物(volatile organic compounds,VOCs)而言都显得尤为重要.以金属有机骨架材料(metal organic frameworks, MOFs)为前驱体制备多孔碳材料不仅克服了某些MOFs材料水稳定性和热稳定性差的缺点,还有效地保留了MOFs材料比表面积高、孔径可调等优点,在气体吸附与分离领域具有良好的应用前景.本文介绍了MOFs基多孔碳材料的研究现状,重点探究了MOFs基多孔碳材料在气体(二氧化碳、氢气和挥发性有机物)吸附与分离领域的应用情况,并展望了MOFs基多孔碳材料在气体吸附与分离领域的发展方向,为将其更好地应用于气体吸附与分离领域提供了有价值的理论参考.     

定向多壁碳纳米管的电化学储氢性能

采用定向多壁碳纳米管和非定向碳纳米管混以铜粉制成的电极进行了恒流充放电电化学实验，对其化学储氢性能的检测结果表明，混以铜粉的定向多壁碳纳米管电极的储氢量是石墨电极的10倍，是非定向多壁碳纳米管电极的13倍，比电容量高达1625mA.h/g，对应储氢量为5．7％（质量分数），说明定向多壁碳纳米管具有优异的电化学储氢性能。     

氢能与新材料

氢是清洁高效的能量载体和重要的化工原料。文章从当前氢能利用过程中面临的问题和挑战入手,简述了新材料在制氢、氢气分离与提纯、储氢及氢能转换等各环节的应用,对氢能利用中新材料的发展趋势进行了展望。     

氢的高压与液化储运研究及应用进展

氢能是优势显著的可再生能源,大力发展氢能是我国实现碳达峰、碳中和发展目标的有效途径.我国支持、鼓励制氢、储氢、加氢基础设施的建设,氢能产业已经进入快车道.在氢能全产业链中,氢储运环节成本占比高达30%,是最为关键的一环.技术、经济性、可靠性和安全性都是氢储运技术发展需要考虑的影响因素.物理储氢是目前唯一可大规模商用的存储技术,其中高压气氢储存具有氢充放速度快、成本低等优点,低温液态储氢具有体积能量密度大、加注时间短等优点.氢的输运主要依靠管道运输和交通工具搭载氢储罐运输,其中管道运输是满足未来巨大氢能需求的有效途径.高压气氢储运和低温液氢储运是较为成熟且具有规模应用潜质的技术.本文从储存技术原理、储存设备、运输方式、应用情况以及安全标准等方面对高压和液化氢储运的研究进展进行了介绍.最后,总结了氢储运现状和面临的主要问题,提出了未来氢储运技术发展的建议,展望了氢能应用的广阔前景.