資源描述：
《儲氫材料的儲氫原理與研究現(xiàn)狀》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在工程資料-天天文庫。
1、儲氫材料的儲氫原理與研究現(xiàn)狀氫能，即氫氣中所含有的能量。具有環(huán)境友好、資源豐富、熱值高、燃燒性能好、潛在經(jīng)濟(jì)效益高等特點(diǎn)[2]。目前，能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)日益嚴(yán)重。許多國家都在加緊部署、實(shí)施氫能戰(zhàn)略，如美國針對運(yùn)輸機(jī)械的“FreedomCAR”計(jì)劃和針對規(guī)模制氫的“FutureGen”計(jì)劃，日本的“NewSunshine”計(jì)劃及“We-NET”系統(tǒng)，歐洲的“Framework”計(jì)劃中關(guān)于氫能科技的投人也呈現(xiàn)指數(shù)上升趨勢[3]。但是，氫能的使用至今未能商業(yè)化，主要的制約因素就是存儲問題難以解決。因此
2、，氫能的利用和研究成為是當(dāng)今科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。而尋找性能優(yōu)越、安全性高、價格低廉、環(huán)保的儲氫材料則成為氫能研究的關(guān)鍵。目前，氫可以以高壓氣態(tài)液態(tài)、金屬氫化物、有機(jī)氫化物和物理化學(xué)吸附等形式儲存。高壓氣態(tài)液態(tài)[4]儲氫發(fā)展的歷史較早，是比較傳統(tǒng)而成熟的方法，無需任何材料做載體，只需耐壓或絕熱的容器就行，但是儲氫效率很低，加壓到15MPa時質(zhì)量儲氫密度不超過3%。而且存在很大的安全隱患，成本也很高。金屬氫化物[5-7]儲氫開始于1967年，Reilly等報(bào)道Mg2Cu能大量儲存氫氣，接著1970年
3、菲利浦公司報(bào)道LaNi5在室溫下能可逆吸儲與釋放氫氣，到1984年Willims制出鎳氫化物電池，掀起稀土基儲氫材料的開發(fā)熱潮[8-9]。金屬氫化物儲氫的原理是氫原子進(jìn)入金屬價鍵結(jié)構(gòu)形成氫化物。有稀土鑭鎳、鈦鐵合金、鎂系合金、釩、鈮、鋯等多元素系合金。具體有NaH-Al-Ti、Li3N-LiNH2、MgB2-LiH、MgH2-Cr2O3及Ni(Cu,Rh)-Cr-FeOx等物質(zhì)，質(zhì)量儲氫密度為2%-5%[10-16]。金屬氫化物儲氫具有高體積儲氫密度和高安全性等優(yōu)點(diǎn)。在較低的壓力(1×106Pa
4、)下具有較高的儲氫能力,可達(dá)到100kg/m3以上。最近，中科院大連化學(xué)物理研究所陳萍團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)Mg(NH2)／2LiH儲氫體系可在110℃條件下實(shí)現(xiàn)約5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))氫的可逆充放[17]。但是，金屬氫化物儲氫最大的缺點(diǎn)是金屬密度很大，導(dǎo)致氫的質(zhì)量百分含量很低，一般只有2%-5%，而且釋放氫時需要吸熱，儲氫成本偏高。目前大量的儲氫研究是基于物理化學(xué)吸附的儲氫方法[18]。物理吸附是基于吸附劑的表面力場作用，根源于氣體分子和固體表面原子電荷分布的共振波動，維系吸附的作用力是范德華力。吸附儲氫的材料有
5、碳質(zhì)材料、金屬有機(jī)骨架(MOFs)材料和沸石咪唑酯骨架結(jié)構(gòu)(ZIFs)材料、微孔/介孔沸石分子篩[19-21]等礦物儲氫材料。碳質(zhì)儲氫材料主要是高比表面積活性炭、石墨納米纖維(GNF)和碳納米管(CNT)，是最好的吸附劑，它對少數(shù)的氣體雜質(zhì)不敏感，且可反復(fù)使用。超級活性炭在94K、6MPa下儲氫量達(dá)9.8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))[22]。納米碳纖維儲氫量可達(dá)10%-12%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）[23]。單壁碳納米管最高儲氫容量在80K、12MPa條件下達(dá)到了8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，在室溫、10MPa條件下的儲氫容量達(dá)到了
6、4.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))[24-32]。已接近國際能源協(xié)會(IEA)規(guī)定的未來新型儲氫材料的儲氫量標(biāo)準(zhǔn)：5%。但是離美國2010年到2015年的儲氫容量分別為6％和9％，體積儲氫容量分別為45g/L和81g/L、存儲成本分別為4美元／kWh和2美元／kWh的目標(biāo)還有很大的差距，特別是在成本方面差距更大。金屬有機(jī)框架(Metal-OrganicFrameworks，MOFs)材料是一種將特定材料通過相互鉸鏈形成的支架結(jié)構(gòu)，具有晶體結(jié)構(gòu)豐富，比表面積高等優(yōu)點(diǎn)。一般地，有機(jī)材料作為支架邊而金屬原子作為鏈接
7、點(diǎn)，這種孔洞型的結(jié)構(gòu)能夠使材料表面區(qū)域面積最大化，從而表現(xiàn)出良好的儲氫性能。MOF-5在77K及溫和壓力下有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.3％的吸氫能力。其他類似的結(jié)構(gòu)中，IRMOF-6和IRMOF-8在室溫、2MPa壓力下的儲氫能力大約分別是MOF-5的2倍和4倍，與低溫下的碳納米管相近。其最大的優(yōu)勢在于可以通過改變有機(jī)配體來調(diào)節(jié)孔徑的大小，達(dá)到調(diào)節(jié)多孔配體聚合物的比表面積及增加存儲空間的目的，從而提高對氫氣分子的吸附量。但是，MOF框架內(nèi)含有部分溶劑分子，在保持骨架完好的前提下僅僅依靠升溫來除去骨架中的全部
8、溶劑分子是很困難的[33-37]。沸石分子篩是一種水合結(jié)晶硅鋁酸鹽,因其規(guī)整的孔道結(jié)構(gòu)、分子大小的孔徑尺寸、可觀的內(nèi)表面積和微孔體積而顯示出許多特殊性能。眾多研究者報(bào)道的沸石的氫吸附量均在3wt%以下，而且數(shù)據(jù)不盡一致[38-41]。這主要取決于沸石的微孔結(jié)構(gòu)，該微孔結(jié)構(gòu)通常由獨(dú)特的孔籠或孔道組成二維或三維的復(fù)雜孔道體系，其與沸石的化學(xué)成分、骨架特征及其所含的陽離子有著密切的關(guān)系[42]。武漢理工大學(xué)的木士春等人對坡縷石、海泡石礦物的超臨界氫吸附進(jìn)行了初步研究[43-44]，測得儲氫容量為1.0
