儲(chǔ)氫材料現(xiàn)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(shù)學(xué)院，甘肅省太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 酒泉 735000）

儲(chǔ)氫材料現(xiàn)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(shù)學(xué)院，甘肅省太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)的重視。儲(chǔ)存技術(shù)是氫能利用的關(guān)鍵。儲(chǔ)氫材料是當(dāng)今研究的重點(diǎn)課題之一,也是氫的儲(chǔ)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(chǔ)氫材料、發(fā)展前景和方向。

儲(chǔ)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(huì)的快速發(fā)展,全球能源和資源正在以越來(lái)越快的速度消耗。面對(duì)這種能源和資源的枯竭的嚴(yán)重挑戰(zhàn),新能源開發(fā)利用受到越來(lái)越高的關(guān)注。新能源一方面作為傳統(tǒng)能源的補(bǔ)充，另一方面可有效降低環(huán)境污染。在新的能源領(lǐng)域中,潔凈無(wú)污染的氫能利用技術(shù)正在以飛快的速度發(fā)展,己引起工業(yè)界的熱切關(guān)注。但如何有效地解決氫能儲(chǔ)存問題是當(dāng)今社會(huì)面臨的一個(gè)科技難題，本文就只對(duì)儲(chǔ)氫方式、儲(chǔ)氫材料及發(fā)展前景做了探討。

1 儲(chǔ)氫方式

氫能的存儲(chǔ)只有3種方式:液態(tài)、高壓氣態(tài)和固態(tài)儲(chǔ)氫,這三種儲(chǔ)氫方式有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。固態(tài)儲(chǔ)氫方式能有效克服氣、液兩種存儲(chǔ)方式的不足,且儲(chǔ)氫體積密度大、操作容易,特別適合于對(duì)體積要求較嚴(yán)格的場(chǎng)合,如在燃料電池汽車上的使用。固態(tài)儲(chǔ)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(chǔ)氫的研究已有30多年,而其他兩種的研究相對(duì)較晚一些。多孔吸附材料分為物理吸附和化學(xué)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(jiǎn)要介紹儲(chǔ)氫材料。

2 金屬及其氧化物系列儲(chǔ)氫材料

儲(chǔ)氫技術(shù)是氫能利用走向規(guī)?；?shí)用化的關(guān)鍵技術(shù)。金屬儲(chǔ)氫材料通常由一種吸氫元素或與氫有很強(qiáng)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(chǔ)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(chǔ)氫過程中的關(guān)鍵問題，很可能是解決氫能規(guī)模儲(chǔ)運(yùn)的重要途徑。因此對(duì)金屬M(fèi)g表面催化改性引起了研究者的興趣。近年來(lái)，有人利用射頻噴濺方法制備了Pd包覆的納米結(jié)構(gòu)的多層Mg薄膜，并對(duì)儲(chǔ)氫性質(zhì)進(jìn)行了研究。結(jié)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(shí)四氫吠喃的處理改善了鎂吸附-脫附氫的動(dòng)力學(xué)，在623K具有較理想的反應(yīng)速率。

3 碳質(zhì)儲(chǔ)氫材料

碳質(zhì)材料是最好的吸附儲(chǔ)氫材料。碳質(zhì)儲(chǔ)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(chǔ)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(jié)果表明,通過水蒸汽氧化得到的材料的吸附效果相對(duì)最好,在367K、26MPa下,吸附質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.34%。雖然實(shí)驗(yàn)中制備的材料沒有顯示良好的吸附性能,但實(shí)驗(yàn)所介紹的吸附性能評(píng)價(jià)方法為未來(lái)碳納米纖維的儲(chǔ)氫性能研究提供了基礎(chǔ)。

3.2 碳納米管

1997年,美國(guó)可再生能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Dillon等首次報(bào)道了碳納米管儲(chǔ)氫的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,純的碳納米管的質(zhì)量?jī)?chǔ)氫能力可達(dá)5%～10%,因此成為世界范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)。清華大學(xué)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(jìn)行恒流充放電的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明,混以銅粉的碳納米管電極的儲(chǔ)氫量是石墨電極的10倍。

3.3 活性炭

活性炭?jī)?chǔ)氫是利用超高比的表面積活性炭作為吸附劑的吸附儲(chǔ)氫技術(shù)。研究表明,在超級(jí)低溫86K、5～8MPa條件下,超級(jí)活性炭?jī)?chǔ)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)625%～845%。通過高硫焦制備的超級(jí)活性炭,在100K和9MPa條件下,儲(chǔ)氫質(zhì)量可達(dá)到993%。超級(jí)活性炭?jī)?chǔ)氫材料具有儲(chǔ)氫量高、經(jīng)濟(jì)、易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)和循環(huán)使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),但所需溫度要超級(jí)低,今后研究的重點(diǎn)將放在提升其儲(chǔ)氫溫度方面。

3.4 石墨納米纖維

ChambersA等在實(shí)驗(yàn)室里采用了催化裂解法得到了4種結(jié)構(gòu)的石墨納米纖維,在室溫和18.6MPa下,測(cè)得4種石墨納米纖維的儲(chǔ)氫質(zhì)量分別約為23%、63%、76%和89%,現(xiàn)有的理論根本無(wú)法解釋如此高的吸附量?？蒲腥藛T對(duì)石墨納米纖維的儲(chǔ)氫性能進(jìn)行了大量的研究,均未達(dá)到Cham2bers得到的高儲(chǔ)氫量,認(rèn)為石墨納米纖維高密度儲(chǔ)氫希望渺茫。

4 液態(tài)有機(jī)物儲(chǔ)氫材料

液體有機(jī)儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫是借助在不飽和液體有機(jī)物與氫的一對(duì)可逆反應(yīng),即脫氫和加氫反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。烴、芳烴、炔烴等不飽和有機(jī)液體均可作儲(chǔ)氫材料,但是從儲(chǔ)氫過程的儲(chǔ)氫量、能耗、儲(chǔ)氫劑等方面考慮,以芳烴特別是單環(huán)芳烴作儲(chǔ)氫劑為佳,其儲(chǔ)氫特點(diǎn)是有機(jī)液的儲(chǔ)存、運(yùn)輸安全方便,能方便的利用現(xiàn)有的運(yùn)輸設(shè)備和儲(chǔ)存,有利于長(zhǎng)距離大量運(yùn)輸，儲(chǔ)氫量也很大。

5 亞氨基鋰儲(chǔ)氫材料

因?yàn)榘本哂休^高的氫含量、較高的能量密度、也能易于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，在分解過程中也不產(chǎn)生一氧化碳、二氧化碳，所以被認(rèn)為是一種儲(chǔ)氫容量高、安全性能很好的固體儲(chǔ)氫材料，是具有潛在應(yīng)用前景的新型能源載體，還可以進(jìn)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(shè)計(jì)，尤其是替代貴金屬催化劑的設(shè)計(jì)提供了新的思路。

6 展望

安全性氫能的儲(chǔ)存密度以及加注基礎(chǔ)設(shè)施等氫能相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)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(jìn)一步加強(qiáng),才能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用水平。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,氫能將會(huì)走進(jìn)千家萬(wàn)戶,成為人類長(zhǎng)期依靠的一種通用燃料,并和電力一起成為21世紀(jì)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(tái)專項(xiàng)資助（144JTCF256)。