淺談儲(chǔ)氫材料的研究現(xiàn)狀

譚景祥 王星磊 曲 偉

（1青島市生態(tài)環(huán)境局市北分局環(huán)境監(jiān)測站 山東青島 266000 2青島市環(huán)境監(jiān)測中心站 山東青島 266000）

引言

目前，氣態(tài)壓縮與液化以及通過一些金屬材料的吸附是目前氫能的主要儲(chǔ)存方式，但這種方式耗能大，同時(shí)還有許多安全隱患的存在。所以，研發(fā)一種能在室溫下能夠?qū)錃膺M(jìn)行高密度儲(chǔ)存的新型儲(chǔ)氫材料成為一大趨勢。

1 研究意義與背景

隨著社會(huì)的發(fā)展，粉塵、酸雨、溫室效應(yīng)、臭氧層空洞的現(xiàn)象頻發(fā)，化石燃料的燃燒對環(huán)境帶來了巨大的沖擊。而氫能作為未來最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，其清潔、可持續(xù)等眾多優(yōu)勢引起了全社會(huì)廣泛的關(guān)注。

2 氫能源的優(yōu)點(diǎn)和難點(diǎn)

氫氣作為一種新的理想能源的優(yōu)點(diǎn)：（1）氫普遍存在于自然界中，而且也也很豐富，據(jù)估算氫在宇宙質(zhì)量中占據(jù)約75%，氫主要是以單質(zhì)氫以及化合物水的形式存在。（2）氫氣不僅具有高達(dá)121061 kJ/kg的發(fā)熱值，而且能夠快速燃燒，與空氣混合可燃范圍廣，燃燒性能好。（3）氫在氧氣中燃燒產(chǎn)物單一，只產(chǎn)生水這種綠色能源。（4）氫氣其應(yīng)用安全，五毒、高揮發(fā)性，分解水制氫，燃燒釋放能量產(chǎn)生水，可實(shí)現(xiàn)物質(zhì)循環(huán)使用和能量的便攜分散。

然而，在對氫能的利用過程中又有很多難點(diǎn)：（1）目前耗能大、效率低都阻礙氫的制備。（2）氫氣易氣化、著火、爆炸帶來安全隱患。（3）氫能的規(guī)模化應(yīng)用也收到儲(chǔ)氫和運(yùn)輸技術(shù)的制約。

3 儲(chǔ)氫材料的研究現(xiàn)狀

液化儲(chǔ)氫、高壓儲(chǔ)氫、非金屬及金屬材料的固體儲(chǔ)氫是目前氫氣的主要儲(chǔ)存方式。儲(chǔ)氫的吸附主要有化學(xué)吸附和物理吸附兩種方式。

3.1 高壓壓縮氣態(tài)儲(chǔ)氫

作為一種簡便易行、技術(shù)相對成熟、應(yīng)用廣泛的儲(chǔ)氫方式，高壓壓縮氣態(tài)儲(chǔ)氫在常溫下就可進(jìn)行，而且充放速度快，同時(shí)成本低。但厚重的耐壓容器、高耗能的氣體壓縮功易造成容器爆破和氣體泄漏，存在眾多不安全因素[1]。

3.2 低溫液化液態(tài)儲(chǔ)氫

在超低溫下，將氫氣液化，使其在高真空的絕熱熔器中以液體形式存在，這就是低溫液化液態(tài)儲(chǔ)氫。這種方式儲(chǔ)氫體積能量密度較高，常溫、常壓下液氫密度是氣態(tài)氫的845倍，但是這需要消耗很大的能量，大大增加了成本。

3.3 金屬氫化物儲(chǔ)氫

目前研究較多，發(fā)展較快的是金屬氰化物儲(chǔ)氫，其儲(chǔ)氫密度約相當(dāng)于標(biāo)態(tài)下氫氣的1000倍。其反應(yīng)機(jī)理為：

該金屬通過與氫發(fā)生一系列良好的可逆性反應(yīng)來進(jìn)行氫的存儲(chǔ)，而鎂基、鈦基、鋯系、稀土系、釩基固溶體等合金的金屬儲(chǔ)氫材料已趨于成熟，并且具備了一定的使用價(jià)值。

3.4 配位氫化物儲(chǔ)氫

在目前眾多的儲(chǔ)氫材料中，氫化物儲(chǔ)氫材料具有極高的體積和質(zhì)量儲(chǔ)氫密度[2]。此類儲(chǔ)氫材料中，以堿金屬或堿土金屬為最佳，而其中的鋁氫化物和硼氫化物又具有最高的儲(chǔ)氫質(zhì)量密度[3]，因此而被廣泛研究。在NaAlH4中Al與Na之間以離子鍵方式結(jié)合，Al與4個(gè)H之間以共價(jià)鍵方式結(jié)合。

3.5 有機(jī)液體儲(chǔ)氫材料

不飽和液體有機(jī)物與氫之間可實(shí)現(xiàn)可逆反應(yīng)，通過加氫反應(yīng)和脫氫反應(yīng)有機(jī)液體氰化物從而進(jìn)行儲(chǔ)氫。該類材料具有儲(chǔ)氫量大，便于儲(chǔ)存、運(yùn)輸和可循環(huán)使用的特點(diǎn)，加氫反應(yīng)中放出大量熱量也可供利用。目前的研究表明，只有苯、甲苯因其脫氫過程可逆且儲(chǔ)氫量大，可作為較理想的有機(jī)儲(chǔ)氫材料。

3.6 多孔吸附儲(chǔ)氫材料

在當(dāng)前儲(chǔ)氫材料開發(fā)和研究中，多孔吸附儲(chǔ)氫材料自身具有工作壓力低、儲(chǔ)存容器重量輕，形狀選擇余地大等優(yōu)勢，因此讓其的發(fā)展和研究前景廣闊。以礦物多孔材料、金屬有機(jī)物多孔材料、碳基多孔材料和非碳納米管類材料為代表的多孔吸附儲(chǔ)氫材料成為研究焦點(diǎn)。

3.7 硼基納米材料

在硼基納米材料中，硼和碳都是輕元素，硼缺電子的結(jié)構(gòu)又使其具有特殊屬性，因此該材料具有更好的儲(chǔ)氫性能。然而過渡金屬原子的存在，又使團(tuán)聚的問題很容易發(fā)生，于是有人提出用硼原子來取代原有的碳原子，硼原子自身存起缺電子結(jié)構(gòu)，在石墨烯、富勒烯、納米管等中摻雜硼原子，這樣既可以使過渡金屬原子的電子轉(zhuǎn)移向納米材料，又可使過渡金屬原子與納米材料之間的反饋?zhàn)饔脺p少，同時(shí)體系中可利用的電子也將減少。

結(jié)語

當(dāng)今，各種儲(chǔ)氫材料的結(jié)構(gòu)、性能、制備和應(yīng)用等方面的研究均積累了大量的成果。在商業(yè)化推進(jìn)中，儲(chǔ)氫材料仍要解決降低成本、簡化工藝、便攜而高含量、速度快可逆吸放、壽命長、可循環(huán)使用等條件，才能在更大程度上符合使用要求。