储氢材料

在常温、常压下，氢是以气态存在。工业用的氢气储于钢瓶里，使用不便，并有一定的危险，无法作为能源而大量、广泛地使用。以液态氢气的形式来储存氢气是解决问题的一个新思路，但是氢气的液化温度很低，达到了-253℃，实际困难太大，是行不通的。
为了解决这个难点，人们发现了金属可以储氢。人们对金属储氢问题的兴趣逐渐提高。随着Mg-Ni、La-Ni、Fe-Ni储氢合金的相继诞生，储氢合金及其应用得到了迅速的发展。
一、金属氢化物
金属或合全为什么可以储氢，又如何把氢从合金电释放出来呢?人们通过研究，搞清了原因所在。
金属或合金(用M代表)与氢作用可以生成金属氢化物(MHn)。其反应方程式为：
M+nH2=MHn+△H(生成热)
该反应是一个可逆过程、正向反应时，金属吸氢，并放出热量；逆向反应时，金属氢化物释氢，吸收热量。这样，只需要改变温度与压力，就能使反应向正向或逆向反复进行。达到金属(合金)储氢或释氢的日的。当然，不是任何金属或合金都只有上述的功能，所以发现合适的金属和合金是获得储氢材料的关键问题了。
理想的、有使用价值的储氢合金，必须具备如下的条件：
(1) 吸氢能力高，即能吸尽量多的氢；
(2) 储氢时生成热应尽量小，便于释氢时的温度不必太高。而作为储存热量作用时，则生成热应该越高越好；
(3) 储氢和释氢的速度都要求快；
(4) 导热性能优良；
(5) 对氧气、一氧化碳和水等杂质的抵抗力要大；
(6) 化学稳定性好，经久耐用，不易产生破碎粉化；
(7) 使用与运输时安全、可靠；
(8) 来源广、价廉物美。
二、储氢合金简介
目前正在研究和已经使用的储氢合金有镁系合金、稀土系合金、钛系合金。另外，还有用于原子反应堆中的金属氢合物、非晶态储氢合金等也正在研究、探索。
(一) 镁系合金
镁系合金是最早研究和被使用的储氢合金。
纯镁氢化物MgH2是惟一可在工业上使用的合金。它的资源丰富、价格便宜、密度低、储氢量大。但缺点是分解温度高达250℃，而且反应速度慢。这就使它的大量使用受到了影响。
为了克服MgH2合金的缺点，先后研制出Mg2Ni和Mg2Cu储氢合金。Ni和Cu对镁氢化物的形成起了催化作用，从而使氢化反应速度提高。但是Mg与Ni形成Mg2Ni和MgNi2两种金属化合物，其中只有Mg2Ni可以吸氢，而且吸氢和释氢温度仍然较高，故反应速度还不够理想。
为了克服Mg2Ni储氢合金的缺点，相继出现了用Al或Ca来置换Mg2Ni中部分Mg的新合金，使得吸氢和释氢的速度提高了许多。
(二) 稀土系合金
稀土系储氢合金以LaNi5为最典型的代表，是储氢合金中应用性能最好的一种。
这种合金

具有六方结构(CaCu5型)。它的最大优点是在室温下就可以氢化，吸氢释氢均较容易，且储氢密度高。但是它的缺点是价格太高，吸氢和释氢的速度不够快。
为了让稀土系合金得到广泛的使用，开发研究了新的系列合金(多元合金)，主要有LaNi5三元系合金和MnNi三元系合金。
LaNi5三元系合金是分别用A1、Mn、Cr、Fe、Cu、Pt等金属，替代LaNi5中的部分Ni，从而使储氢性能得到改善。
MnNi三元系合金，是用混合稀土(Ce、La、Sm)代替了部分La，并且再分别加入A1、B、Cu、Si等元素，这样不仅降低了价格，而且又提高了合金储氢释氢的能力。
(三) 钛系合金
钛系储氢合金分为Ti-Fe系和Ti-Mn系两类。
Ti-Fe系合金储氢量大，价格便宜，但缺点是活化困难，抵抗杂质能力差、容易中毒。可以用其他元素V、Cr、Mn，Co等代替部分铁组成二元合金，活性大为改善。
Ti-Mn系合金中，以TiMn1.5二元合金的储氢性能最好，而且在室温条件下即能活化，反应速度快，反复吸释氢的能力强，而且价格便宜，所以是一种很受重视应用性奸的储氢合金。
三、储氢合金的应用
(一)制取储运氢气的容器
用钢瓶储存氢气或液态氢的缺点颇多。而改用储氢合金制作储存氢气的容器，重量轻、体积小、储气密度高、不需要高压及储存液氢的极低温设备，能量损失很少，安全可靠。
(二)制取高纯度氢气和回收氢
一般工业用氢气中含有不同比例的N2、O2、CO2等杂质。利用储氢合金吸收氢的特性，再把氢气释放出来，使得氢气的纯度高达99.999 9％以上。这个过程能量消耗不多，但达到了高纯化的作用。其中TiMn1.5和稀土储氢合金的效果最好，并且在仪器、电子、化工等行业上得到了广泛的应用。
工业生产上排放的废气中不少是含有大量的氧气。据资料统计，我国合成氨工厂每年有10亿m3的氢气要排放到空中白白浪费了，利用储氢合金把这些含氢的废气进行分离、回收，可以节约大量的能源，不仅产生了好的经济效益，而且还会产生良好的社会效益。
(三)氢能交通工具
用储氧合金来制作飞机和汽车氢燃料发动机，虽然处于研究、试验阶段。但前景看好。氢能交通工具具有高的热效率，对环境无污染的优点。氢气是价廉又安全方便的二次能量。国外对氢燃料汽车进行了试验，用200kg的TiFe合金储氢，共行驶了130 km。目前存在的最大困难是储氧材料重量要比油箱重量大得多，影响车辆的速度。
(四)核反应堆中的使用
氢的同位素氘在原子能工业中具有特殊的作用，可以制取重水(D2O)，作为核反应堆里的慢化剂和冷却剂。而且还是受控核聚变时的聚变原料。
当核动力装詈中发生了氢、氘、氚的泄漏现

象，将是十分危险之事，人根本无法进入现场。所以用储氢合金来吸收、去除泄漏的氢、氘、氚是一个理想的方法，可以确保安全。
储氢材料还可以用来对氢、氘、氚进行分离，工艺简单，能耗少、效果好。
(五)氢化物—镍电池
金属氢化物—镍电池是取替镉-镍电池的一种无污染高功率新型碱性电池。目前已经进入了商品产业化。
传统的镉-镍电池已不适应当现代社会发展的要求。首先是重金属镉对环境有严重的污染，对人体有毒害，而且价格非常高，性能也并不完美。家用电器、计算机的高速发展，对小型化高容量电池的需求量越来越多。电动白行车、电动汽车的发展也迫切希望用氢化物—镍电池来代替传统的铅酸电池，以提高电池的能量密度，并减少对环境的污染。
氢化物—镍电池的工作原理是：
氢化物(储氢合金)为负极，Ni(OH)2为正极，以KOH水溶液为电解质构成了Ni/MH电池。
发生以下的反应：
正极：Ni(OH)2+OH-=NiOOH+H2O+e
负极：M+nH2O+ne=MHn+nOH-
总的电极反应：
M+nNi(OH)2=MHn+nNiOOH
氢化物—镍电池除了对环境无污染，对人体无毒害以外，还具有比能量高(为Ni/Cd电池的1.5-2倍)，良好的耐充电、放电性能，没有记忆效应，而且还有能与Ni/Cd电池互换使用的优点。所以氢化物—镍电池受到了人们极大的重视。
储氢合金的应用方面很多，除了以上介绍的内容外，还在空调与制冷，热泵、热-压传感器、加氢和脱氢反应催化剂等方面都可得到应用。