《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(chǔ)量豐富、無(wú)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(duì)環(huán)境保護(hù)極為有利；2如果進(jìn)一步用太陽(yáng)能以海水制氫，則可實(shí)現(xiàn)無(wú)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(guò)利用過(guò)剩電力進(jìn)行電解制氫，實(shí)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(yùn)輸是實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵。貯氫材料就是作為氫的貯存與運(yùn)輸媒體而成為當(dāng)前材料研究的一個(gè)熱點(diǎn)項(xiàng)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(dāng)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(yīng)生成氫化物，使氫以金屬氫化物的形式貯存起來(lái)，在需要的時(shí)候，適當(dāng)加溫或減小壓力使這些貯存著的氫釋放出來(lái)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(duì)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(dāng)，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(shí)并不必用101.3MPa(1000atm)的耐壓鋼瓶。9可見(jiàn)，利用金屬氫化物貯存氫從容積來(lái)看是極為有利的。但從氫所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)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(duì)汽車(chē)工業(yè)的應(yīng)用上。10當(dāng)今汽車(chē)工業(yè)給環(huán)境帶來(lái)惡劣的影響，因此汽車(chē)工業(yè)一直期望用以氫為能源的燃料電池驅(qū)動(dòng)的環(huán)境友好型汽車(chē)來(lái)替代。11對(duì)于以氫為能源的燃料電池驅(qū)動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，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(zhì)量分?jǐn)?shù)要高(估算須達(dá)到?(H)=6.5％)，當(dāng)前的金屬氫化物貯氫技術(shù)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(zhǎng)期探求的目標(biāo)。121.2貯氫材料發(fā)展史貯氫材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用研究始于20世紀(jì)60年代，1960年發(fā)現(xiàn)鎂(Mg)能形成MgH2，其吸氫量高達(dá)?(H)＝7.6％，但反應(yīng)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(shí)放氫壓力約0.1MPa，成為最早具有應(yīng)用價(jià)值的貯氫材料。14同年在研究稀土化合物時(shí)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(xué)法。物理法是指貯氫物質(zhì)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(shí)，發(fā)現(xiàn)富勒烯球（C60）和碳納米管對(duì)請(qǐng)有較強(qiáng)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(xué)法是指貯氫物質(zhì)與氫分子之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，

5、生成新的化合物，具有吸收或釋放氫的特性?；瘜W(xué)法包括金屬氫化物貯氫、無(wú)機(jī)化合物貯氫和有機(jī)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(yīng)金屬氫化物的能量貯存、轉(zhuǎn)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(jì)60年代以前就已被探明，并被匯總于專(zhuān)著中。金屬與氫氣生成金屬氫化物的反應(yīng)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(xué)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(jià)鍵性很強(qiáng)的化合物，稱為共價(jià)鍵型氫化物，例如:SiH4、CuH、AsH3等。這些化合物多數(shù)是低沸點(diǎn)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(fù)、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(yīng)，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(yīng)性質(zhì)的不同可以從氫的溶解熱數(shù)據(jù)中反映出來(lái)。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(jiàn)IA-IVB族金屬的氫的溶解熱是負(fù)(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(fù)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(zhuǎn)換金屬氫化物可以作為能量貯存、轉(zhuǎn)換材料，其原理是：金屬吸留氫形成金屬氫化物，然后對(duì)該金屬氫化物加熱，并把它放置在比其平衡壓低的氫