储氢材料现状和发展前景的研究＊

秦天像，杨天虎，甘生萍

（酒泉职业技术学院，甘肃省太阳能发电系统工程重点实验室，甘肃 酒泉 735000）

储氢材料现状和发展前景的研究＊

秦天像，杨天虎，甘生萍

（酒泉职业技术学院，甘肃省太阳能发电系统工程重点实验室，甘肃 酒泉 735000）

氢能作为一种新型的能量密度高的绿色能源,?正引起世界各国的重视。储存技术是氢能利用的关键。储氢材料是当今研究的重点课题之一,也是氢的储存和输送过程中的重要载体。本文综述了目前已采用或正在研究的储氢材料、发展前景和方向。

储氢材料；发展前景；研究方向

能源和资源是人类赖以生存和发展的源泉。随着社会的快速发展,全球能源和资源正在以越来越快的速度消耗。面对这种能源和资源的枯竭的严重挑战,新能源开发利用受到越来越高的关注。新能源一方面作为传统能源的补充，另一方面可有效降低环境污染。在新的能源领域中,洁净无污染的氢能利用技术正在以飞快的速度发展,己引起工业界的热切关注。但如何有效地解决氢能储存问题是当今社会面临的一个科技难题，本文就只对储氢方式、储氢材料及发展前景做了探讨。

1 储氢方式

氢能的存储只有3种方式:液态、高压气态和固态储氢,这三种储氢方式有各自的优点和缺点。固态储氢方式能有效克服气、液两种存储方式的不足,且储氢体积密度大、操作容易,特别适合于对体积要求较严格的场合,如在燃料电池汽车上的使用。固态储氢材料主要有:金属氢化物、多孔吸附材料和配位氢化物等,其中金属氢化物储氢的研究已有30多年,而其他两种的研究相对较晚一些。多孔吸附材料分为物理吸附和化学吸附两大类,如硫化物纳米管、碳纳米管、活性炭和BN纳米管等。下面将简要介绍储氢材料。

2 金属及其氧化物系列储氢材料

储氢技术是氢能利用走向规模化、实用化的关键技术。金属储氢材料通常由一种吸氢元素或与氢有很强亲和力的元素和另一种吸氢量小或根本不吸氢的元素共同组成。

镁系合金的储氢密度很高，但放氢温度高，吸放氢速度慢，因此研究镁系合金在储氢过程中的关键问题，很可能是解决氢能规模储运的重要途径。因此对金属Mg表面催化改性引起了研究者的兴趣。近年来，有人利用射频喷溅方法制备了Pd包覆的纳米结构的多层Mg薄膜，并对储氢性质进行了研究。结果显示，在1000C,3MPa氢气压力条件下，氢的吸附量约为85wt%，薄膜在1000C真空的条件下释放出全部的氢。研究表明四氢呋喃处理的镁在1000C,5MPa条件下吸附了9wt%的氢，同时四氢吠喃的处理改善了镁吸附-脱附氢的动力学，在623K具有较理想的反应速率。

3 碳质储氢材料

碳质材料是最好的吸附储氢材料。碳质储氢材料主要有碳纳米纤维、碳纳米管、活性炭、石墨纳米纤维等4种。

3.1 碳纳米纤维

碳纳米纤维是吸附储氢材料，通过催化裂解乙炔制备了碳纳米纤维,选用CO2氧化、二氧化锰氧化、硝酸氧化、盐酸氧化和水蒸汽氧化5种后处理方式得到5种样品。结果表明,通过水蒸汽氧化得到的材料的吸附效果相对最好,在367K、26MPa下,吸附质量分数为1.34%。虽然实验中制备的材料没有显示良好的吸附性能,但实验所介绍的吸附性能评价方法为未来碳纳米纤维的储氢性能研究提供了基础。

3.2 碳纳米管

1997年,美国可再生能源国家实验室的Dillon等首次报道了碳纳米管储氢的实验结果,纯的碳纳米管的质量储氢能力可达5%～10%,因此成为世界范围内的研究热点。清华大学碳纳米材料研究人员能将碳纳米管混以铜粉后能制成电极,之后进行恒流充放电的实验。实验表明,混以铜粉的碳纳米管电极的储氢量是石墨电极的10倍。

3.3 活性炭

活性炭储氢是利用超高比的表面积活性炭作为吸附剂的吸附储氢技术。研究表明,在超级低温86K、5～8MPa条件下,超级活性炭储氢质量分数可达625%～845%。通过高硫焦制备的超级活性炭,在100K和9MPa条件下,储氢质量可达到993%。超级活性炭储氢材料具有储氢量高、经济、易实现规模化生产和循环使用寿命长等优点,但所需温度要超级低,今后研究的重点将放在提升其储氢温度方面。

3.4 石墨纳米纤维

ChambersA等在实验室里采用了催化裂解法得到了4种结构的石墨纳米纤维,在室温和18.6MPa下,测得4种石墨纳米纤维的储氢质量分别约为23%、63%、76%和89%,现有的理论根本无法解释如此高的吸附量。科研人员对石墨纳米纤维的储氢性能进行了大量的研究,均未达到Cham2bers得到的高储氢量,认为石墨纳米纤维高密度储氢希望渺茫。

4 液态有机物储氢材料

液体有机储氢材料储氢是借助在不饱和液体有机物与氢的一对可逆反应,即脱氢和加氢反应来实现的。烃、芳烃、炔烃等不饱和有机液体均可作储氢材料,但是从储氢过程的储氢量、能耗、储氢剂等方面考虑,以芳烃特别是单环芳烃作储氢剂为佳,其储氢特点是有机液的储存、运输安全方便,能方便的利用现有的运输设备和储存,有利于长距离大量运输，储氢量也很大。

5 亚氨基锂储氢材料

因为氨具有较高的氢含量、较高的能量密度、也能易于储存和运输，在分解过程中也不产生一氧化碳、二氧化碳，所以被认为是一种储氢容量高、安全性能很好的固体储氢材料，是具有潜在应用前景的新型能源载体，还可以进一步发展新型氨分解催化剂体系，不仅能从新的角度阐释了碱金属助剂的作用，也为高效催化剂的设计，尤其是替代贵金属催化剂的设计提供了新的思路。

6 展望

安全性氢能的储存密度以及加注基础设施等氢能相关技术的发展和社会需求之间还存在着一定的差距,所以研究的力度还有待于进一步加强,才能达到实际应用水平。随着科学技术的进步,氢能将会走进千家万户,成为人类长期依靠的一种通用燃料,并和电力一起成为21世纪能源体系的两大支柱。

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TG139.7

甘肃省科技创新平台专项资助（144JTCF256)。