[摘要]氢能作为一种清洁、高效、安全、可持续的新能源，被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，氢的存储是目前制约氢能发展的关键因素之一。本文主要介绍了储氢合金、碳质储氢材料、络合物储氢材料、改性四氧化三铁储氢材料等数种储氢材料的发展现状，简单介绍其储氢机理和应用前景。
[关键词]储氢材料；综述；发展现状
中图分类号：TGl39.7 文献标识码：A 文章编号：.
氢能作为一种清洁、高效、安全、可持续的新能源，被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，人类对氢能应用自200年前就产生了兴趣，到20世纪70年代以来，世界上许多国家和地区就广泛开展了氢能研究。现如今，氢能已经在航空航天领域有了较为成熟的应用，氢能在小汽车、卡车、公共汽车、出租车、摩托车和商业船上的应用也已经成为焦点。其在由于氢易气化、着火、爆炸，因此如何妥善解决氢能的贮存和运输问题也就成为开发氢能的关键，广大专家学者对储氢技术、储氢材料的研究也从未中断过，换言之，安全可靠的贮氢和输氢方法是氢能发挥其优势的必要条件。传统的储氢手段（如高压气态储氢、低温液态储氢等）存在单位体积存储量低、安全隐患大等问题。另一种储氢方式是利用储氢材料储氢，主要包括储氢合金储氢、配位氢化物储氢、碳质材料储氢、有机液体氢化物储氢、多孔材料储氢等。本文对目前主要新型储氢材料的研究进展进行了综述，并对未来的储氢材料进行了展望。
1储氢合金
储氢合金在一定温度和压力下，能可逆地吸收、储存和释放H2，目前应用广泛。
1.1稀土系储氢合金
在稀土金属中加入某些第二种金属形成合金后，能够在较低温度下实现吸氢，人们通常将这种合金称为稀土储氢合金。LaNi5是应用较早的稀土储氢合金，由飞利浦公司于1969年首先发现，具有吸放氢温度低、速度快、平衡压差小、易于活化、不易中毒等优点。稀土储氢材料应用于国民经济中的冶金、石油化工、光学、磁学、电子、生物医疗和原子能工业的各大领域的30 多个行业，但主要应用领域是高性能充电电池―镍氢电池。
1.2 镁系储氢合金
美国布鲁克-海文国家实验室最早开始研究镁基储氢材料，并通过将镁和镍混合熔炼合成Mg2Ni合金，其在2MPa、300℃条件下能够与氢化合生成Mg2NiH4。在后续的研究中，人们不断通过形成纳米晶、非晶结构的Mg2Ni合金来改善Mg2Ni合金的吸放氢性能。在Mg2Ni合金添加诸如铜、锌、锰、铬、镍、钒等第三种元素也有助于性能改善，有些元素可以使吸放氢温度进一步降低， 有些则改善了吸放氢的动力学性能。同时，人们开始研究不含镍的镁基合金，其中以镁―铝系、镁―镧系的研究最为广泛。
1.3钛系储氢合金
钛系储氢合金具有防氢温度低（可在―30℃下实现放氢）、成本低的优点，但同时不易活化、易中毒、滞后现象比较严重。最常用的是钛铁，正在研究开发和应用的有：钛锰、钛镍、钛铬、钛锆、铬锰系等合金。它们都是脆性金属问化合物，使用寿命可达25000次循环以上，并保持性能基本不变，但反复循环吸、放氢后有粉化现象。为了改善性能并易于活化，随后又发展了钛铁锰储氢材料，如Ti44Fe51Mn5，可在室温条件下实现活化。
2碳质储氢材料
碳质储氢材料是通过吸附作用进行储氢的，其实质是一种物理储氢方法。碳质储氢材料主要是高比表面积活性炭、石墨纳米纤维（GNF）和碳纳米管（CNT ）。
2.1高比表面积活性炭
比表面积高的活性炭，单位质量表面积比常规活性炭大得多，吸附储氢性能自然也较常规活性炭优越。在适度压力、低温条件下，活性炭吸氢量随温度的降低而急剧增大。比表面积高的活性炭通过MACS处理，即表面酸性（一般用NaOH）和金属（Pd）改性处理，其吸附储氢能力至少可提高20wt%。活性炭吸附储氢较适合于规模较大的储氢系统，应用到工程上可作为汽车燃料的低压储氢系统。高比表面积活性炭由于吸氢量大、可重复使用，具有良好的应用前景，目前要使其大量应用于工业，必须克服吸氢温度低这一缺点，通过改性实现常温下储氢。
2.2碳纤维
碳纤维储氢的原理与高比表面积活性炭有类似之处，其内部中空，表面则形成很多分子尺寸的微孔，导致很大的比表面积。但实际吸氢过程不止存在物理吸附作用，现今的研究也不能完全准确的解释吸氢过程中的纳米孔中发生的物理化学作用。纳米碳纤维的研究中，中科院金属研究所范月英等自制的纳米碳纤维实现了约10%-12% （wt）的储氢容量。许多研究中，储氢容量已经接近国际能源协会（IEA）规定的未来新型储氢材料的储氢量标准，因而具有良好的应用前景。
2.3碳纳米管
碳纳米管为一维纳米材料，主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管，由日本电子公司（NEC）的饭岛博士发现。碳纳米管由于重量轻，且具有独特的中空结构，应用于储氢效果显著，储存的氢气的密度堪比液态和固态氢。但在大量的研究中，很多研究者认为碳纳米管储氢最多为1%（质量分数），因此其大量应用于储氢的可能性不大。
3络合物储氢材料
目前研究最广泛的络合物储氢材料主要为NaAlH4，在温度超过200℃时，NaAlH4能够分解出氢气，理论计算的氢气放出量约为6.9%。如能克服温度的影响，实现较低温度下的反应可逆化，就能通过NaAlH4来实现吸放氢过程。有研究者通过在NaAlH4加入少量Ti4 、Fe3 离子使上述分解反应的温度有效降低，若反应温度进一步降低甚至实现可控，那么NaAlH4作为新一代的储氢材料将具有良好的应用前景。
4改性四氧化三铁储氢材料
西北大学王小芳等人对改性四氧化三铁储氢材料做了深入的研究，并介绍了其制备过程及性能分析。Fe3O4储-放氢原理如下：
第一步氢的储存（还原）： Fe3O4 4H2→3Fe 4H2O
（初始态反应为： Fe2O3 3H2→2Fe 3H2O）
第二步氢的放出（氧化）： 3Fe 4H2O→Fe3O4 4H2
王小芳等人通过改进制备方法和添加催化剂对材料进行进一步改性。在金属离子添加剂对Fe3O4储氢材料储氢性能的影响的实验中，他们发现Mo， Al， Cr和W均对Fe3O4具有催化改性作用，其中Mo的催化改性作用最好，Al次之。最终制备的添加了Mo金属离子的Fe3O4放氢温度最低， 为310～314℃（在放氢速率为300 μmol・min-1・Fe-g-1 时），低于目前同类最好的储氢材料近50℃左右，并且已接近IEA标准。
参考文献
[1]李中秋， 张文丽. 储氢材料的研究发展现状[J]. 化工新型材料， 2005， 33（10）： 38-40
[2]邓安强， 樊静波， 赵瑞红， 夏广军， 钱克农. 储氢材料的研究进展[J]. 化工新型材料， 2009， 37（12）： 8-10
[3]房文斌， 张文丛， 于振兴， 王尔德. 镁基储氢材料的研究进展[J]. 中国有色金属学报， 2002， 12（5）： 853-860
[4]张春香， 石广新， 关绍康， 时爱菊， 陈晶阳. 储氢材料的研究进展[J]. 汽车工艺与材料， 2005， （5）： 10-12
[5]王小芳， 王惠， 田勇， 董发昕， 史启祯， 文振翼. 一种新型储氢材料――改性四氧化三铁的储氢性能研究[J]. 化学学报， 2007， 65（7）： 601-606
论文来源：《中国科技博览》 2014年26期
转载注明来源:https://m.xzbu.com/1/view-6181410.htm
本站仅提供存储服务，所有内容均由用户发布，如发现有害或侵权内容，请
点击举报。
