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1、自然雜志第33卷第1期專題綜述doi:10.3969/j.issn0253-9608.2011.01.004*高容量儲氫材料的研究進展1o??劉永鋒李超高明霞潘洪革1副研究員,o碩士研究生,?副教授,?研究員,浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室和材料系,杭州310027*國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(2009AA05Z106);國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(2010CB631304)關(guān)鍵詞儲氫材料儲氫標準儲氫機理輕金屬氫化物安全、高效、經(jīng)濟的氫儲存技術(shù)是氫能大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。相對于高壓氣態(tài)儲氫和低溫液化儲氫,通過氫與材料間的相互作用形成固溶體或氫化物的固態(tài)氫儲存由于其好的安全性和高的
2、能量密度,被認為是最有發(fā)展前景的一種氫儲存技術(shù)。為了滿足車載氫源系統(tǒng)重量儲氫密度大于5%的要求,目前發(fā)展中的高容量儲氫材料主要包括金屬鋁氫化物、硼氫化物、氮氫化物和氨基硼烷化合物。作者簡要綜述了最近幾年這些高容量儲氫材料的研究進展,重點關(guān)注材料的儲氫容量、吸放氫反應(yīng)熱力學(xué)、吸放氫反應(yīng)動力學(xué)和吸放氫機理以及成分調(diào)變、催化改性和尺寸效應(yīng)對材料儲氫性能的影響。前,安全、高效、經(jīng)濟的氫氣儲存技術(shù)已成為氫能利用走向?qū)嵱没?、?guī)模化的瓶頸。1引言近年來,隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,人類對能源的2幾種儲氫技術(shù)的優(yōu)缺點需求不斷增加,導(dǎo)致化石燃料等不可再生能源日漸枯竭,能源危機日益嚴重。另一
3、方面,化石燃料的大量使氫可以氣態(tài)、液態(tài)或固體氫化物的形式存在。根據(jù)用也加劇了環(huán)境污染,嚴重威脅人類的生存環(huán)境。因氫的這一特性,人們開發(fā)了高壓氣態(tài)儲氫、低溫液化儲[6]此,為了實現(xiàn)人類社會的可持續(xù)發(fā)展,研究開發(fā)各種新氫和氫化物固態(tài)儲氫三種儲氫技術(shù)。型綠色可再生能源已經(jīng)成為大家的共識,特別是在低碳高壓氣態(tài)儲氫是一種最普通和最直接的儲氫方式,[1]和零碳經(jīng)濟發(fā)展的今天。其原理是將氫氣壓縮儲存在高壓鋼瓶中,儲存壓力一般氫由于其儲量豐富、燃燒效率高、無污染,被譽為21是10~15MPa。高壓氣態(tài)儲氫具有充放氫速度快、技[2]世紀的綠色能源載體。然而,氫能的開發(fā)利用是一個術(shù)相對成
4、熟以及成本低等優(yōu)點。但高壓儲氫通常需要有機的系統(tǒng)工程,主要涉及到氫的制備、儲存、輸運以及能夠承受高壓的鋼瓶作為容器,因此重量儲氫密度比較[3]應(yīng)用四大關(guān)鍵技術(shù)。氫大量存在于石油、天然氣、煤低,一個充滿15MPa氫氣的標準高壓鋼瓶的儲氫量僅炭等化石燃料以及水中。目前氫氣的制備主要通過化為1.0wt%。此外,在氫氣壓縮過程中,需要消耗大量石燃料重整、電解水和工業(yè)副產(chǎn)氫等技術(shù)獲得,未來太的壓縮功,能耗較大。對于移動應(yīng)用而言,高壓鋼瓶儲陽能制氫和生物質(zhì)制氫等利用清潔可再生能源制氫技氫最重要的一個缺點是存在氫氣泄漏和容器破裂的隱術(shù)將成為主流,特別是氫和水之間循環(huán)利用的實現(xiàn),將患
5、,安全性能差。近年來開發(fā)的由碳纖維復(fù)合材料構(gòu)成[4]成為氫取之不盡、用之不竭的來源。此外,氫可以廣的新型輕質(zhì)耐壓儲氫容器,盡管其儲氫壓力可以達到35泛應(yīng)用于合成氨、甲醇以及石油煉制,在電子、冶金、食~70MPa,重量儲氫量可以提高到5wt%~7wt%,但品加工、浮法玻璃、精細化工合成、航空航天等領(lǐng)域也有安全性問題仍有待于進一步解決。應(yīng)用。尤其是隨著燃料電池技術(shù)的發(fā)展,用氫作為汽車將氫氣液化后儲存在真空容器中的液化儲氫也是動力的來源越來越受重視,交通運輸業(yè)將是氫能的另一一種實用化的儲氫方式。由于常溫常壓下液氫的密度[5]個主要應(yīng)用領(lǐng)域。然而,氫是所有元素中最輕的,在是氣
6、態(tài)氫的845倍,因此低溫液化儲氫具有體積密度3常溫常壓下為氣態(tài),密度僅為0.0899kg/m,是水的萬高、儲存容器體積小的優(yōu)點。但氫氣液化過程中需要消分之一,因此其高密度儲存一直是一個世界級難題。目耗大量的冷卻能量,理論上液化1kg氫需要耗費4~10#19#ReviewArticleChineseJournalofNatureVol.33No.1kWh的電,約是其儲存能量的30%。另外,為了避免蒸環(huán)壽命達到1500次。然而,到目前為止,尚未有一種儲發(fā)損失,液氫儲存容器應(yīng)該具有良好的絕熱性能,這使氫技術(shù)能夠同時滿足表1所列出的所有要求。得儲氫容器技術(shù)復(fù)雜,儲氫成本增加。
7、表1美國能源部(DOE)規(guī)定的輕型汽車用氫源系統(tǒng)的利用氫與材料反應(yīng)生成氫化物的固態(tài)儲氫是一種部分技術(shù)參數(shù)(2009年)[8]理想的儲氫方式。固態(tài)儲氫具有儲氫密度高、操作方技術(shù)參數(shù)20102015最終目標便、安全性好等優(yōu)點。金屬氫化物儲氫材料的單位體積重量儲氫容量(wt%)4.55.57.5儲氫密度是相同溫度、壓力條件下氣態(tài)氫的1000倍左體積儲氫容量(g/L)284070右,而且氫是以原子的形式儲存在材料中,吸放氫過程工作溫度(e)-40/85-40/85-40/95~105工作壓力(MPa)0.5/1.20.5/1.20.3/1.2受熱效應(yīng)和速度所
