儲氫材料研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景

摘要：氫能作為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ男履茉矗哂邪踩⒏咝А⑶鍧崱⒖沙掷m(xù)等優(yōu)點。由于缺少安全、高效、可實用儲氫材料，氫能如今難以得到很好應(yīng)用。本文綜述了近幾年國內(nèi)外儲氫材料及儲氫技術(shù)最新進(jìn)展，包括各種材料的儲氫性能，研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：儲氫材料;氫能;研究進(jìn)展

1 緒論

隨著經(jīng)濟全球化和人民生活水平的提高，人類對能源的需求與日俱增。能源是社會發(fā)展的推動力，目前，世界使用的主要能源為煤、石油、天然氣等。但這些均為不可再生資源，同時燃燒時會造成環(huán)境污染、全球變暖、霧霾等一系列問題，影響人們的生存環(huán)境。人類需發(fā)展新型的清潔高效能源取代傳統(tǒng)化石燃料。氫能作為化石燃料的首選替代品，引起世界各國密切關(guān)注，氫能應(yīng)用技術(shù)正迅速發(fā)展[12]。

2 儲氫材料的研究現(xiàn)狀

2.1 氣態(tài)儲氫

目前，國內(nèi)外一般采用高壓來實現(xiàn)氫氣的儲存，技術(shù)比較成熟，應(yīng)用較為廣泛。高壓儲氫容器在常溫環(huán)境下即可進(jìn)行使用，壓力容器一般為10～15MPa，但儲存氫氣的質(zhì)量不足容器質(zhì)量的1w%，暴露了高壓儲氫效率低、儲存量少等缺點，同時對容器的耐壓性能較高，容器重量大，增加了運輸和使用過程風(fēng)險。氣態(tài)儲氫技術(shù)的關(guān)鍵難題是研發(fā)性能良好、安全高效的儲氫容器。

2.2 液態(tài)儲氫

液態(tài)儲氫是在低溫條件下，將氫氣進(jìn)行液態(tài)儲存，其優(yōu)點是儲氫量大，儲氫能量密度高，常溫常壓下，液氫的密度為氣態(tài)氫的845倍。然而，液態(tài)儲氫成本高、耗能大，并且需要做好絕熱措施，難以實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

2.3 金屬氫化物儲氫

目前，研究表明，在金屬氫化物中，堿金屬氫化物有較好的儲氫性能。常溫常壓下，氫氣釋放是不可逆過程，但在一定的溫度和壓力條件下，金屬氫化物對氫氣的儲存和釋放過程是可逆的。金屬氫化物儲氫具有儲存量大、安全高效等優(yōu)點，因此具有很好的研究價值[1]。

2.3.1 鎂系儲氫材料

鎂系儲氫材料以MgH2為典型代表，其密度小、無污染、價格低、儲氫量大，理論儲氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)7.6%，是目前新型儲氫材料的重點研究對象。但鎂系儲氫材料的缺點是吸/放氫動力學(xué)性能差，放氫溫度高。毛鍵峰等[3]通過對MgLiBH4復(fù)合體系進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了LiBH4能夠有效地提高M(jìn)g吸/放氫動力學(xué)性能，實驗表明，在300°C下，MgLiBH4的吸氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到6.5%僅需不到20分鐘，為鎂基儲氫材料成為燃料電池汽車的氫源打下了堅實的基礎(chǔ)。

鎂系儲氫材料雖然儲氫量大，但單獨使用吸/放氫動力學(xué)性能不理想，因此提高放氫速率，降低放氫溫度是諸多國內(nèi)外學(xué)者正在解決的問題，加入其他物質(zhì)，改變Mg表面催化，制成鎂系復(fù)合材料，是如今鎂系儲氫材料主要研究對象[4]。

2.3.2 鋰系儲氫材料

LiBH4是鋰系儲氫材料的代表，是一種有吸引力的可逆儲氫材料，可以存儲13.8wt.%氫氣。然而，高的熱力學(xué)穩(wěn)定性和動力學(xué)限制阻礙了它在中等條件下釋放和吸收氫的能力。目前研究表明，MgH2是最有前途的去鐵鋰化劑之一，與LiBH4進(jìn)行物質(zhì)的量為1∶2混合球磨，形成的氫化物復(fù)合材料在350℃左右開始釋放氫，并在500℃以下完成。此外，其他過渡金屬氟化物和氯化物添加劑通過機械銑削摻雜到2LiBH4MgH2中，可使脫氫溫度低于純2LiBH4MgH2。

2.4 液態(tài)有機儲氫材料

液態(tài)有機儲氫是通過不飽和液體有機物與氫進(jìn)行可逆反應(yīng)，即脫氫反應(yīng)和加氫反應(yīng)[1]。液態(tài)有機儲氫具有儲氫量大，可重復(fù)利用，儲運安全等優(yōu)點。目前，常用的有機材料是烯烴、炔烴、芳烴等不飽和有機液體，但從儲存過程的能耗，儲氫量等方面考慮，最佳的儲氫溶劑為芳烴，是一個理想的有機儲氫材料[4]。

2.5 碳質(zhì)儲氫材料

碳質(zhì)儲氫材料具有易解吸、吸氫量大、質(zhì)量輕等特點，是一種非常具有應(yīng)用前景的物理吸附儲氫方式，其中活性炭儲氫最為突出。

活性炭的儲氫機理是依靠材料的孔隙結(jié)構(gòu)、比表面積和表面官能團(tuán)。研究表明[4]，在常壓和低溫條件下，活性炭的儲氫量與其比表面積和微孔孔容成正相關(guān)關(guān)系，孔徑在0.6～0.7nm時對儲氫量的貢獻(xiàn)最大，儲氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)到6%～7%。隨著壓力的不斷升高，儲氫量也會不斷增大。Yury Gogotsi等[5]發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓力達(dá)到6MPa時，活性炭的儲氫機理將會發(fā)生改變，孔徑大于1.5nm的孔對儲氫的貢獻(xiàn)很小，另外，孔分布對儲氫量的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于表面官能團(tuán)。

3 結(jié)語

目前儲氫材料研究已經(jīng)取得了很多重大突破，為儲氫材料的研究開拓了新的領(lǐng)域。未來儲氫材料研究發(fā)展的新方向是以開發(fā)安全高效的復(fù)合儲氫材料為前提，實現(xiàn)儲氫材料的規(guī)模化制備與可循環(huán)利用。經(jīng)過國內(nèi)外研究者的共同努力，相信氫能在時代中將會扮演重要的角色。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊靜怡.儲氫材料的研究及其進(jìn)展[J].現(xiàn)代化工，2019，39（10）：5155.

[2]林靜，趙東江，王立民.儲氫材料及研究進(jìn)展[J].綏化學(xué)院學(xué)報，2017，37（08）：141145.

[3]毛建鋒.LiBH_4改善鎂吸氫性能的研究[C].中國可再生能源學(xué)會氫能專業(yè)委員會.第七屆全國氫能學(xué)術(shù)會議論文集.中國可再生能源學(xué)會氫能專業(yè)委員會：中國可再生能源學(xué)會，2006：365367.

[4]黃紅霞，黃可龍，劉素琴.儲氫技術(shù)及其關(guān)鍵材料研究進(jìn)展[J].化工新型材料，2008（11）：2729+57.

[5]張靖，張存滿，辛海峰，萬術(shù)偉，馬建新，章道彪，陳誠.活性炭儲氫材料研究進(jìn)展[J].太陽能學(xué)報，2012，33（09）：16341640.

作者簡介：張鵬（1999—），男，山東泰安人，現(xiàn)于山東科技大學(xué)攻讀學(xué)士學(xué)位，目前主要從事于化學(xué)工程與工藝相關(guān)的專業(yè)研究。