儲氫材料的研究進展

摘要：氫能以其可再生性和環保效應成為未來最具發展潛力的能源，而氫的儲存是發展氫能技術的難點之一。本文綜述了儲氫材料現狀，重點介紹了新型碳質材料儲氫技術，并對未來的儲氫材料發展進行了展望。

關鍵詞：氫氣 儲氫材料 碳納米

緒論

化石能源的有限性與人類需求的無限性將導致煤炭、石油等一次能源在未來數十年至數百年內枯竭!(科技日報，2004年2月25日，第二版)。同時，化石能源的使用正在給地球造成巨大的生態災難，如溫室效應、酸雨等，嚴重威脅地球動植物的生存!氫是自然界中最普遍的元素，資源無窮無盡，且熱值高，無污染 ，可循環利用，因此成為未來最具有發展潛力的能源之一。氫的儲存是發展氫能技術的難點之一，亟待解決。

1、儲氫材料技術現狀1

1.1 金屬氫化物

1.1.1儲氫機制：在氫氣富集時，利用化學反應讓氫氣與金屬生成氫化物，或者利用物理吸附的方式吸收氫氣，在需要氫氣時氫化物分解或者氫氣脫吸附將氫氣釋放出來，而且能可逆充放氫氣很多次。

反應方程式：M+x/2H2MHx + △H

1.1.2金屬氫化物分類：

* 稀土鑭鎳系：活化容易，平衡壓力適中且平坦，吸放氫平衡壓差小，抗雜質氣體中毒性能好，適合室溫操作

* 鈦鐵系：價格低，室溫下可逆儲放氫，易被氧化，活化困難，抗雜質氣體中毒能力差，實際使用時需對合金進行表面改性處理。

* 鎂系：儲氫容量高，資源豐富，價格低廉，放氫溫度高(250-300℃)，放氫動力學性能較差。

* 鈦/鋯系：利用合金儲氫后隨溫度升高氫平衡壓也升高的特性，可制成無傳動部件的氫壓縮機、低溫致冷機、空調機、電冰箱、熱泵等

1.2配位氫化物儲氫

1.2.1配位氫化物

由堿金屬(Li，Na，K)或堿土金屬(Mg，Ca)與第三主族元素(B，Al)形成。

1.2.2儲氫特點

儲氫量普遍很低，在循環吸氫過程中易出現晶粒化2，再氫化難，無法滿足應用的需要

2、新型儲氫材料

2.1 儲氫特點：質輕，對少量氣體雜質不敏感，可重復使用

2.2 典型代表：碳納米管、碳納米纖維、高比表面積活性炭和富勒烯。

2.2.1 碳納米管吸附儲氫3

碳納米管在微觀結構上具有典型的層狀中空結構特征，按照石墨烯片的層數可分為單壁碳納米管，多壁碳納米管以及由單壁碳納米管束形成的復合管，管直徑通常為納米級，長度在微米到毫米級。碳納米管具有較大的比表面積，其特殊的管道結構及多壁碳管之間的芯部和表面都有大量的分子級細孔，因此具有很好的毛細吸附性能，可以吸附大量氣體，對氫氣具有物理和化學吸附作用。目前碳納米管吸附儲氫方面達成的共識主要有4：吸附量與表面積呈正比關系；吸附的區域大致在管內和管外或陣列的間隙處；碳納米管的直徑對吸附量有影響；表面處理對吸附量起著重要甚至于決定性作用3、7。

2.2.2 碳納米纖維吸附儲氫

碳納米纖維具有很高的比表面積，大量的氫氣被吸附在碳納米纖維表面，為氫氣進入碳納米纖維提供了主要通道；碳納米纖維的層間距遠遠大于氫氣分子的動力學直徑(0.289nm)，大量的氫氣可進入碳納米纖維的層面之間；碳納米纖維有中空管，可以像碳納米管一樣具有毛細作用，氫氣可凝結在中空管中，從而使碳納米纖維具有超級儲氫能力。毛宗強等通過實驗得到在常溫下碳納米纖維可以吸附氫氣和解吸，實驗中吸附率達到8wt%，最高達到9.99wt%，為目前常用的儲氫合金LaNi5的7倍5。白朔等用流動催化法制備的碳納米纖維(直徑100nm)在室溫下的儲氫密度為10wt%6。

2.2.3 高比表面積活性炭吸附儲氫

高比表面積活性炭是一種多孔性、極具潛力的含碳吸附材料，具有高度發達的內部空隙結構和巨大的比表面積，具有很強的吸附性。其儲氫是利用其巨大的表面積與氫分子之間的范德華力來實現的，是典型的超臨界氣體吸附。氫氣的吸附量與碳材料的表面積成正比，但又隨溫度的升高而指數降低。

2.2.4 富勒烯吸附儲氫

富勒烯儲氫是使大量氫氣為富勒烯所吸收，并且轉變為富勒烯氫化物或內嵌富勒烯包合物的形式儲存。氫與富勒烯氫化物之間可以進行可逆反應，當有熱量加給富勒烯氫化物或內嵌富勒烯包合物時，它就會分解為儲氫合金并釋放出氫氣。

3、儲氫材料發展趨勢

儲氫技術作為氫能走向實用化、規模化的關鍵，備受關注。同時儲氫材料的研究中也存在諸多問題，例如世界范圍內所測儲氫量相差太大：0.01(wt)%-67 (wt)%，如何準確測定是需要全球統一的問題；大多數儲氫合金自重大，壽命也是個問題，自重低的鎂系合金很難常溫儲放氫，配位氫化物的可逆儲放氫等需進一步開發研究，碳材料吸附儲氫逐步受到重視，但基礎研究不夠，能否實用化還是個問號。

根據技術發展趨勢，今后儲氫研究的重點是在新型高性能規模儲氫材料上。近年來，納米復合物在儲氫方面已表現出優異的性能，有關的研究國內尚處于初始階段，應積極探索納米復合物作為規模儲氫材料的可能性。

氫能之路-前途光明，道路曲折！

參考文獻：

[1]周理，呂昌忠，王怡林等．評述超臨界溫度氣體在多孔固體上的物理吸附[M]．化學進展，1999，11，(3):221-226

[2]朱宏偉，徐才錄，陳桉等．碳納米管表面處理對儲氫性能的影響[M]．碳素技術，2000，(4):12-13

[3]孫海梅，閆紅．新型儲氫材料-碳納米管[J]．晉東南師范專科學校學報，2003，20(2):25-26

[4]毛宗強，徐才錄，閻軍等．碳納米纖維儲氫性能初步研究[M]．2000，15(1):64-66

[5]成會明，白朔，侯鵬翔等．一種新型儲氫材料-納米纖維的制備及其儲氫的研究[J]．國家八六三計劃新材料領域成果專刊，2001，15(2):27-28

[6]ZHU Hongwei，LI Xuesong，CI Lijie ec tl.Storage of hydrogen in floating catalytic carbon nanotubes after graphitizing.SCIENCE IN CHINA(Series E).2002，45(5):518-524