《稀土貯氫材料》課件

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1、稀土貯氫材料1一貯氫材料概述1.1氫能源與貯氫材料氫能源系統(tǒng)是作為一種儲量豐富、無公害的能源替代品而倍受重視。如果以海水制氫作為燃料，從原理上講，燃燒后只能生成水，這對環(huán)境保護極為有利；2如果進一步用太陽能以海水制氫，則可實現(xiàn)無公害能源系統(tǒng)。此外，氫還可以作為貯存其他能源的媒體，通過利用過剩電力進行電解制氫，實現(xiàn)能源貯存。3在以氫作為能源媒體的氫能體系中，氫的貯存與運輸是實際應用中的關鍵。貯氫材料就是作為氫的貯存與運輸媒體而成為當前材料研究的一個熱點項目。4貯氫材料(Hydrogenstoragematerials)是在通常條件下能可逆地大量吸收和放出氫氣的特種金屬材料。5貯氫材

2、料的作用相當于貯氫容器。貯氫材料在室溫和常壓條件下能迅速吸氫(H2)并反應生成氫化物，使氫以金屬氫化物的形式貯存起來，在需要的時候，適當加溫或減小壓力使這些貯存著的氫釋放出來以供使用。6貯氫材料中，氫密度極高，下表列出幾種金屬氫化物中氫貯量及其他氫形態(tài)中氫密度值。7(1)相對氫氣瓶重量從表中可知，金屬氫化物的氫密度與液態(tài)氫、固態(tài)氫的相當，約是氫氣的1000倍。8另外，一般貯氫材料中，氫分解壓較低，所以用金屬氫化物貯氫時并不必用101.3MPa(1000atm)的耐壓鋼瓶。9可見，利用金屬氫化物貯存氫從容積來看是極為有利的。但從氫所占的質量分數(shù)來看，仍比液態(tài)氫、固態(tài)氫低很多，尚需克

3、服很大困難，尤其體現(xiàn)在對汽車工業(yè)的應用上。10當今汽車工業(yè)給環(huán)境帶來惡劣的影響，因此汽車工業(yè)一直期望用以氫為能源的燃料電池驅動的環(huán)境友好型汽車來替代。11對于以氫為能源的燃料電池驅動汽車來說，不僅要求貯氫系統(tǒng)的氫密度高，而且要求氫所占貯氫系統(tǒng)的質量分數(shù)要高(估算須達到?(H)=6.5％)，當前的金屬氫化物貯氫技術還不能滿足此要求。因此，高容量貯氫系統(tǒng)是貯氫材料研究中長期探求的目標。121.2貯氫材料發(fā)展史貯氫材料的發(fā)現(xiàn)和應用研究始于20世紀60年代，1960年發(fā)現(xiàn)鎂(Mg)能形成MgH2，其吸氫量高達?(H)＝7.6％，但反應速度慢。131964年，研制出Mg2Ni，其吸氫量為?

4、(H)=3.6％，能在室溫下吸氫和放氫，250℃時放氫壓力約0.1MPa，成為最早具有應用價值的貯氫材料。14同年在研究稀土化合物時發(fā)現(xiàn)了LaNi5具有優(yōu)異的吸氫特性;1974年又發(fā)現(xiàn)了TiFe貯氫材料。LaNi5和TiFe是目前性能最好的貯氫材料。151.3貯氫方法目前所用的貯氫方法主要是物理法和化學法。物理法是指貯氫物質與氫分子之間物理作用或物理吸附，包括深冷液化貯氫、高壓壓縮貯氫、玻璃微球貯氫、地下巖洞貯氫和活性炭貯氫等。同時，發(fā)現(xiàn)富勒烯球（C60）和碳納米管對請有較強的吸附作用，吸氫量比活性炭高，有可能成為新一代的貯氫材料。16化學法是指貯氫物質與氫分子之間發(fā)生化學反應，

5、生成新的化合物，具有吸收或釋放氫的特性?；瘜W法包括金屬氫化物貯氫、無機化合物貯氫和有機液態(tài)氫化物貯氫等。171.4貯氫原理金屬與氫氣生成金屬氫化物的反應金屬氫化物的能量貯存、轉換18金屬和氫的化合物統(tǒng)稱為金屬氫化物。元素周期表中所有金屬元素的氫化物在20世紀60年代以前就已被探明，并被匯總于專著中。金屬與氫氣生成金屬氫化物的反應19元素周期表中IA族元素(堿金屬)和IIA族元素(堿土金屬)分別與氫形成MH、MH2化學比例成分的金屬氫化物。20金屬氫化物是白色或接近白色的粉末，是穩(wěn)定的化合物。這些化合物稱為鹽狀氫化物或離子鍵型氫化物，氫以H-離子狀態(tài)存在。21從IB族到IVA族的金

6、屬氫化物，因是共價鍵性很強的化合物，稱為共價鍵型氫化物，例如:SiH4、CuH、AsH3等。這些化合物多數(shù)是低沸點的揮發(fā)性化合物，不能作貯氫材料用。22從IIIB族到VIII族的金屬氫化物，稱為金屬鍵型氫化物，它們是黑色粉末。其中，IIIB族、IVB族元素形成的氫化物比較穩(wěn)定(生成焓為負、數(shù)值大，平衡分解氫壓低)，如LaH3、TiH2氫化物。23VB族元素也和氣體氫直接發(fā)生反應，生成VH2、NbH2氫化物。在1atm下，這些氫化物的溫度在常溫附近，它們能夠是在常溫下貯藏釋放氫的材料。VIB族到VIII族的金屬中，除Pd外，都不形成穩(wěn)定的氫化物，氫以H+形成固溶體。24各種金屬與氫

7、反應性質的不同可以從氫的溶解熱數(shù)據(jù)中反映出來。下表是氫在各種金屬中的溶解熱?H數(shù)據(jù)。25氫在各種金屬中的溶解熱?H(kcal/mol)26可見IA-IVB族金屬的氫的溶解熱是負(放熱)的很大的值，稱為吸收氫的元素；VIB--VIII族金屬顯示出正(吸熱)的值或很小的負值，稱為非吸收氫的元素；VB族金屬剛好顯示出兩者中間的數(shù)值。27金屬氫化物的能量貯存、轉換金屬氫化物可以作為能量貯存、轉換材料，其原理是：金屬吸留氫形成金屬氫化物，然后對該金屬氫化物加熱，并把它放置在比其平衡壓低的氫