鎂基儲氫材料在含能材料中的應(yīng)用

宋靜，魚銀虎，程嘉琪(運(yùn)城學(xué)院，山西 運(yùn)城 044000)

0 引言

目前，全球范圍內(nèi)鎂基儲氫材料成為許多高校研究重點(diǎn)和公司開發(fā)產(chǎn)品方向，具有十分光明的未來，鎂基儲氫材料的不斷研發(fā)必定影響著儲氫材料在含能材料的發(fā)展趨勢。鎂基儲氫材料較于其他金屬的儲氫材料有著許多優(yōu)勢：(1)鎂擁有低廉的價格和豐富的資源；(2)鎂金屬具有很高的儲氫能力；(3)鎂基儲氫材料可以將氫以穩(wěn)定的壓力釋放從而提高使用率；(4)其燃燒對于空氣的污染程度較低；(5)鎂基儲氫材料只有在高溫條件下才會把氫釋放，所以比較穩(wěn)定。一些含能材料使用鎂基儲氫材料后，對于含能材料的特性會有著極大的改善，使含能材料的性能更加優(yōu)越。而且，鎂基儲氫材料在熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性上的表現(xiàn)會很大程度上由于目前所采用的非鎂金屬儲氫材料，當(dāng)炸藥、推動劑等材料中使用了鎂基儲氫材料可以在安全方面做到保障，對材料的生產(chǎn)和存儲意義重大。

鎂基儲氫材料在新能源領(lǐng)域、氫健康領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)領(lǐng)域同樣有著不同程度上的應(yīng)用。鎂基儲氫材料可以實(shí)現(xiàn)在常規(guī)環(huán)境下運(yùn)輸及大量儲備氫，這不僅降低了產(chǎn)業(yè)鏈成本也提高了作業(yè)安全性，鎂基儲氫材料推動了氫能源在新能源領(lǐng)域的發(fā)展。在室溫的條件下，鎂基固態(tài)儲氫材料就能進(jìn)行水解化學(xué)反應(yīng)，方便了氫在日常生活中的安全獲取。鎂基固態(tài)儲氫材料同樣在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了一定的應(yīng)用和不錯的發(fā)展前景，其對鎂缺乏引起的疾病有著改善效果，并且能夠大幅度削減體內(nèi)的惡性自由基，提升免疫力，提高身體抗病的能力。鎂基固態(tài)儲氫材料同樣可以作為一種氫肥料應(yīng)用于農(nóng)學(xué)，其成本低，無污染，適用范圍廣，目前其正在受到推廣。

鎂基儲氫材料在越來越多的研究方向得到科學(xué)有效的應(yīng)用，但它在含能材料中的科學(xué)研究與利用也一直是鎂基儲氫材料主要的用武之地。本文將針對不同類型的鎂基儲氫材料目前的研究與應(yīng)用進(jìn)行分別闡述。

1 氫化鎂

1.1 氫化鎂簡介

氫化鎂是一種單一輕金屬氫化物，它的儲氫量相較于其他金屬氫化物和鎂基儲氫合金氫化物具有明顯的優(yōu)勢，可以達(dá)到7.6%。并且高達(dá)300 ℃左右的放氫溫度使得氫化鎂的熱穩(wěn)定性達(dá)到了較高的水準(zhǔn)。根據(jù)這些優(yōu)勢，氫化鎂在炸藥和固體推進(jìn)劑中可以作為組分得到應(yīng)用。

1.2 反應(yīng)方式

目前，氫化鎂具有熱解放氫和水解放氫兩種方式，根據(jù)不同的化學(xué)反應(yīng)可以應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。

1.3 應(yīng)用成果

目前國內(nèi)對于氫化鎂的研究十分熱門，也取得了不俗的研究成果。一些研究人員發(fā)現(xiàn)氫化鎂可以加大一些炸藥爆炸所產(chǎn)生的沖擊力，如多個類型的乳化炸藥。當(dāng)炸藥處于水中的物理環(huán)境下，氫化鎂型水解敏化儲氫乳化炸藥爆炸所產(chǎn)生的沖擊力十分巨大，具有十分龐大的能量，并且此反應(yīng)所生成的爆炸沖擊波也具有一定程度的加快[1]。這是玻璃微球型乳化炸藥所無法達(dá)到的爆炸水平。通過對氫化鎂的認(rèn)知不斷增加和相應(yīng)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，可以對比出氫化鎂型水解敏化儲氫乳化炸藥爆炸所產(chǎn)生的沖擊力度是傳統(tǒng)乳化炸藥無法比擬的。在爆轟反應(yīng)機(jī)理上，二者也存在不可忽視的差異，在乳化炸藥爆轟反應(yīng)過程發(fā)生的同時，氫氣的爆炸過程和氫化鎂的放氫反應(yīng)也在進(jìn)行。研究人員對氫化鎂進(jìn)行了石蠟包裹法處理，以達(dá)到為了提高氫化鎂的抗水性能的目的。 經(jīng)此方法處理后，氫化鎂所制成的氫化酶型復(fù)合敏化儲氫乳化炸藥十分穩(wěn)定，提高了儲備的安全性與科學(xué)性。

1.4 應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

目前熱解放氫在燃料電池動力系統(tǒng)、大容量長距離的氫氣儲運(yùn)以及固態(tài)加氫站等方面有著較為廣泛的應(yīng)用。水解放氫則廣泛應(yīng)用于健康、小型設(shè)備動力系統(tǒng)、醫(yī)療等領(lǐng)域，十分具有科研攻關(guān)價值，在納米醫(yī)學(xué)的發(fā)展上可以提供一些助力。氫化鎂對于含能材料的爆炸威力有著一定提高，特別對于制備完成后存儲以備后用的炸藥，其可以削弱時間對爆炸威力的影響，但是對于目前的工業(yè)和材料學(xué)水平，氫化鎂的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)不夠完善，且成本較高，此外，它和含能材料的相容性也制約著氫化鎂的發(fā)展。因此，在未來我們需要對于其生產(chǎn)工藝和結(jié)構(gòu)展開更深層次的研究，使其可以更好的用于含能材料中。

2 鎂基配位氫化物

2.1 鎂基配位氫化物簡介

鎂基配位氫化物具有較高的儲氫密度，這是其余鎂基儲氫材料無法比較的，得益于這個優(yōu)點(diǎn)，鎂基配位氫化物漸漸在世界范圍內(nèi)的含能材料中的應(yīng)用中占據(jù)越來越高的地位，備受學(xué)者青睞。

2.2 應(yīng)用成果

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)水平的不斷飛躍和計(jì)算機(jī)時代的不斷進(jìn)步，鎂基儲氫材料也開始嘗試進(jìn)行相關(guān)的科學(xué)研究。其中計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)受到了相關(guān)學(xué)者的關(guān)注，并通過該技術(shù)對鎂基儲氫材料對一些含能材料熱分解產(chǎn)生的效應(yīng)進(jìn)行研究。目前在國內(nèi)外該研究也取得了一定的科研成果。通過分析不同金屬氫化物對含能材料的影響進(jìn)行比較，得出科學(xué)而具有實(shí)用意義的研究成果，得出鎂基配位氫化物在質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到一定數(shù)值后其促進(jìn)作用會較于金屬鋁有著提高。

2.3 應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

鎂基配位氫化物較于鎂基儲氫合金氫化物以及氫化鎂，它的儲氫量處于金字塔頂端[2]。因此，通過對鎂基配位氫化物不斷地深層次認(rèn)知，發(fā)現(xiàn)其在含能材料中的未來有著十分巨大的潛力，可以在很大程度上提高含能材料的能量水平，促進(jìn)行業(yè)的不斷發(fā)展。但是，鎂基配位氫化物的已有科研時間相較于其他兩種鎂基儲氫材料很短，目前的各項(xiàng)生產(chǎn)工藝并不完善，研究人員對其物理化學(xué)機(jī)理的研究成果還不夠全面，這也限制了鎂基配位氫化物的應(yīng)用。因此，目前的鎂基配位氫化物研究現(xiàn)狀還不足以制成其產(chǎn)業(yè)化，無法生成成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，這是需要科研人員繼續(xù)努力攻關(guān)的迫切問題。當(dāng)我們對于鎂基配位氫化物的認(rèn)知逐漸深入后，其潛力將會一點(diǎn)點(diǎn)帶給業(yè)內(nèi)驚喜，這是毋庸置疑的。

3 鎂基儲氫合金氫化物

3.1 鎂基儲氫合金氫化物簡介

過渡金屬元素與氫反應(yīng)會生成一種間隙型化合物，我們將這種間隙性化合物稱為儲氫合金氫化物。鎂系合金擁有著不錯的儲氫量和較好的熱穩(wěn)定性，釋放出的氫氣在促進(jìn)固體推進(jìn)劑的燃燒的同時也能夠提供高的燃燒熱，目前，鎂基儲氫合金氫化物被相關(guān)科研工作者廣泛應(yīng)用于固體推進(jìn)劑和炸藥領(lǐng)域，研究成果豐富，具有十分良好的應(yīng)用。

3.2 應(yīng)用成果

在國際上，鎂基儲氫合金氫化物的研究也比較成熟，各高校學(xué)者對其都有不少科研成果。鎂基儲氫合金氫化物產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)侨咧凶顬槌墒斓?，在國際上有著許多技術(shù)手段可以對其進(jìn)行科學(xué)安全的制備，其中在1997年就有了一種至今也十分實(shí)用的制備方法—?dú)浠紵铣煞?，該方法由八木研究室最早采用，該方法在成本、時間、生產(chǎn)設(shè)備上都極為方便快捷，國內(nèi)外諸多學(xué)者都使用該方法對鎂基儲氫合金氫化物進(jìn)行制備，該方法在不同溫度下生成的鎂基儲氫合金氫化物的性能上也存在著差異，許多學(xué)者針對單一鎂基儲氫合金氫化物在不同溫度下被制備時的性能比較優(yōu)缺點(diǎn)，得出了豐富的實(shí)踐結(jié)論，對今后研究起到了指導(dǎo)作用。

3.3 應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

關(guān)于鎂基儲氫合金氫化物的研究表明，鎂基儲氫合金氫化物對于炸藥和固體推進(jìn)劑的應(yīng)用有著十分積極的作用，同時鎂基儲氫合金氫化物在反應(yīng)分解所生成的氫氣也可以作為一種具有高能量的燃料。但儲氫量較低是鎂基儲氫合金氫化物不可忽視的缺點(diǎn)，這一缺陷對其應(yīng)用有著很大的影響。所以研發(fā)儲氫量更高的該種類鎂基儲氫材料十分關(guān)鍵。同時。研究人員必須針對鎂基合金氫化物與含能材料之間的相容性進(jìn)行深層次探究，了解其對含能材料特一些特性的影響，從而確定所研發(fā)的各種鎂基儲氫合金氫化物在實(shí)際應(yīng)中的應(yīng)用價值和合理性，以推動鎂基儲氫合金氫化物的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。

4 結(jié)語

目前，炸藥和推進(jìn)劑是鎂基儲氫材料在含能材料中的兩大主要應(yīng)用領(lǐng)域，三種鎂基儲氫材料在應(yīng)用上都有著自己的特點(diǎn)和缺陷。氫化鎂具有較高的含氫量，但其制備工藝不夠成熟，成本較高，和含能材料的相容性都制約著其發(fā)展；鎂基配位氫化物儲氫量最高，具有十分巨大的開發(fā)潛力，但由于其研究時間較短，仍有些許問題需要攻關(guān)；鎂基儲氫合金氫化物雖然效果較于其他兩種鎂基儲氫材料不夠顯著，但其產(chǎn)業(yè)鏈成熟，應(yīng)用更為穩(wěn)定。