高考中的“储氢材料”

2019-03-27仝鹏

数理化解题研究 2019年7期

关键词：氢化物化合价储氢

仝鹏

(陕西省西安市庆华中学 710025)

“储氢材料”、“储氢金属”等名词近年来在高考理综试题中频频出现，学生平常的练习题中也开始屡见不鲜，笔者通过查阅资料，结合自己多年的教学感悟，搜集整理出有关概念和在高考中的应用，供我们一线同行拓展、分享.

一、储氢材料简介

1.发展背景

众所周知，氢气是公认的最具发展潜力的清洁能源，世界上许多国家和地区非常重视氢能的研究、开发与利用.但由于氢易燃易爆难液化，如何妥善解决氢能的贮存和运输问题也就成为制约氢能开发的关键，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.在这种背景下，探索新型储氢方式成为科技工作者的研究热点，研究成果突飞猛进，日新月异.

2.储氢机理

目前主要新型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.储氢材料属于金属材料，金属材料中的化合物与化学中的化合物是完全不同的概念.比如Fe3C、VC等就不符合化合价规律，至于储氢材料中的金属氢化物，有两类：其一是由Ⅰ和Ⅱ主族与氢作用，形成离子型氢化物，H以负离子嵌入金属离子间形成.其二是Ⅲ和Ⅳ族过渡族金属生成金属型氢化物，H以正离子固溶于金属晶格间隙形成.

储氢合金在一定温度和压力下，能可逆地吸收、储存和释放氢气，目前应用广泛.储氢合金目前三种:

(1)镁系储氢合金以Mg2Ni为基础的储氢合金.

(2)稀土系储氢合金是以LaNi5为典型代表.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.

(3)钛系储氢合金有钛铁系合金以TiFe合金为主、钛锰系合金以TiMnl.5为主.

在金属材料中，只有正常价化合物才符合化合价规律，其他的像电子化合物、间隙化合物、间隙相都不符合化合价规律，因此，不能够用化合价来评价.所以，化合价这个词不能够推而广之.

碳质储氢材料是通过吸附作用进行储氢的，是一种物理储氢方法.碳质储氢材料目前主要研究使用的是比表面积比较高的活性炭、石墨纳米纤维和碳纳米管.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.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.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.碳纳米管内部结构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.

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.