纳米储氢电极材料
储氢材料的研究进展
储氢材料的研究进展一、本文概述随着全球能源结构的转型和可持续发展目标的日益紧迫，氢能作为一种清洁、高效的能源形式，正受到越来越多的关注。
而储氢材料作为氢能利用的关键环节，其性能的提升和技术的突破对于氢能的大规模应用具有决定性的影响。
本文旨在全面综述储氢材料的研究进展，通过对不同类型储氢材料的性能特点、应用领域以及发展趋势进行深入探讨，以期为氢能领域的科研人员和技术人员提供有益的参考和启示。
本文将首先介绍储氢材料的研究背景和重要意义，然后从物理储氢材料、化学储氢材料和复合储氢材料三个方面，分别阐述各类储氢材料的最新研究成果和进展。
在此基础上，本文将重点分析储氢材料的性能评价指标，如储氢密度、吸放氢动力学、循环稳定性等，并探讨影响这些性能指标的关键因素。
本文将展望储氢材料的发展趋势和未来研究方向，以期为推动氢能领域的技术创新和产业发展贡献一份力量。
二、储氢材料的分类储氢材料，作为能量储存和转换的重要媒介，在氢能源的应用中扮演着关键角色。
根据其储氢机制和材料特性，储氢材料大致可分为物理吸附储氢材料、化学氢化物储氢材料、金属有机骨架储氢材料以及纳米储氢材料等几大类。
物理吸附储氢材料：这类材料主要通过物理吸附作用储存氢气，如活性炭、碳纳米管、石墨烯等。
这些材料具有高的比表面积和良好的吸附性能，能够有效地吸附并储存氢气。
然而，其储氢密度相对较低，且受温度和压力影响较大。
化学氢化物储氢材料：这类材料通过化学反应将氢气转化为氢化物来储存氢，如金属氢化物（如NaAlHMgH2等）和氨硼烷等。
这类材料具有较高的储氢密度，但储氢和释氢过程通常需要较高的温度和压力，且可能伴随有副反应的发生。
金属有机骨架储氢材料：金属有机骨架（MOFs）是一种新型的多孔材料，具有高的比表面积和孔体积，以及可调的孔径和化学性质。
MOFs材料通过物理吸附或化学吸附的方式储存氢气，具有较高的储氢密度和良好的可逆性。
纳米储氢材料：纳米储氢材料主要包括纳米金属颗粒、纳米碳材料等。
纳米材料在储氢材料中的应用研究
纳米材料在储氢材料中的应用研究随着全球能源危机的日益严重，寻找新型的清洁可再生能源已成为全球人民的共同关注点。
其中，氢能源作为一种绿色、高效的能源形式，备受关注。
然而，氢能源的储存和运输一直是限制其广泛应用的主要难点之一。
传统的气体和液态氢储存方式在储存密度、安全性和可靠性等方面存在诸多问题。
近年来，纳米材料在储氢材料中扮演着越来越重要的角色，被认为是一种重要的氢储存方法。
本文将介绍纳米材料在储氢材料中的应用研究进展。
一、氢能源储存问题氢能源具有高效、清洁、环保等多种优点，是未来燃料的主要候选者之一。
然而，氢能源的储存和运输是目前亟需解决的问题。
传统的气体和液态氢储存方式存在容器体积大、储存密度低、易燃等诸多问题，因此被认为不是可持续的氢储存方法。
而化学吸附和物理吸附则是目前可行的氢储存方案之一。
二、纳米材料储氢原理纳米材料储存氢气的原理主要是物理吸附和化学吸附。
在物理吸附中，氢分子在纳米材料表面被吸附；而在化学吸附中，氢分子与纳米材料中的原子强烈相互作用，形成氢化物。
纳米材料的储氢密度与其表面积有关。
表面积越大，储氢量就越大。
因此，采用纳米材料作为储氢材料可以增加储氢密度，在保持储氢安全的前提下实现高效的储氢。
三、纳米材料在储氢中的应用研究1.金属有机骨架储氢金属有机骨架是一种由金属离子和有机配体组成的三维网状结构。
研究发现，金属有机骨架具有良好的储氢性能。
例如，Mg(OH)-BTB（BTB为2,3,6,7,10,11-三苯基二氮并[1,2-b:4,5-b']二嘧啶的缩写）材料具有较高的氢吸附容量和吸附热，是一种理想的氢储存材料。
2.纳米孔道材料储氢生物学家正在对许多纳米孔道材料开展深入研究。
目前，已开发出许多独特的纳米孔道材料，例如碳纤维、氧化锆等。
这些材料具有很高的表面积和孔体积，因此可以容纳大量的氢分子。
研究发现，一些材料，如MIL-101材料，可实现高达5.5 wt%的氢储存容量。
储氢材料
20世纪70年代以后，由于对氢能源的研究和开发日趋重要，首先要解决氢气的安全贮存和运输问题，储氢材料范围日益扩展至过渡金属的合金。如镧镍金属间化合物就具有可逆吸收和释放氢气的性质：
编辑本段化学每克镧镍合金能贮存0.157升氢气，略为加热，就可以使氢气重新释放出来。LaNi5是镍基合金，铁基合储氢材料 储氢材料
____
编辑本段纳米材料储氢存在的问题世界范围内所测储氢量相差太大：0.01(wt ) %-67 (wt ) %，如何准确测定
储氢机理如何
四，结束语-氢能离我们还有多远
氢能作为最清洁的可再生能源，近10多年来发达国家高度重视，中国近年来也投入巨资进行相关技术开发研究
氢能汽车在发达国家已示范运行，中国也正在筹划引进
2.13TiFeH0.10 + 1/2H2 → 2.13TiFeH1.04
2.20TiFeH1.04 + 1/2H2 → 2.20TiFeH1.95
镁系
典型代表：Mg2Ni，美Brookhaven国家实验室首先报道
储氢容量高
资源丰富
价格低廉
放氢温度高（250-300℃ )
放氢动力学性能较差
抗杂质气体中毒能力差
实际使用时需对合金进行表面改性处理
PCT curves of TiFe alloy
TiFe(40 ℃）
TiFe alloy
Characteristics:
two hydride phases;
phase (TiFeH1.04) & phase (TiFeH1.95 )
3.2 配位氢化物
3.3 纳米材料
基于纳米技术的储氢材料研究和应用
基于纳米技术的储氢材料研究和应用随着能源消耗的加速和环保意识的抬头，储氢技术已经成为了重要的节能环保技术之一。
然而，当前还没有一种较为完美的储氢材料方式出现，需要通过科技创新来解决这一难题。
而基于纳米技术的储氢材料研究和应用便是最具安全、稳定性和储氢含量的新型材料，下文将介绍其特点和应用前景。
一、纳米技术储氢材料简介一般来说，储氢的材料大致可以分为三类：压缩氢气储存方法、液态储氢方法及固态储氢方法。
而纳米技术储氢材料便属于以固态储氢为主的一种新型材料方式。
它采用了纳米晶和多孔材料的优势，可以特别有效地储存和释放氢气，拥有更大的储氢密度。
因此，纳米技术储氢材料的出现，将会极大地改变当前的储氢体系，推动未来产业的创新。
二、纳米技术储氢材料的特点纳米技术储氢材料具有以下几个特点：1. 储氢量大与传统储氢方式相比，基于纳米技术的储氢材料储氢量较大，能够在相同体积和重量的情况下储存更多的氢气，为储氢技术的大规模应用打下了基础。
2. 更加安全其特殊的纳米结构可以有效地降低氢气释放的压力和温度，提升储氢材料的安全性。
而固态储氢还可以避免液化和压缩气体对储存设备的污染和腐蚀问题，减轻了储氢周期负载的难度。
3. 操作简便纳米技术储氢材料具有操作简单、使用方便的特点。
它可以使用相对简单和低成本的装置进行储氢，不需要过于复杂和昂贵的储氢设备。
这也为工业和民用储氢提供了更加便利和实用的选择。
三、纳米技术储氢材料的应用前景1. 汽车行业在当前汽车制造业中，探究替代燃料和减少尾气污染是一个长期的趋势。
而纳米技术储氢材料正是应用于这种新型能源的最有前景的储氢材料之一。
未来，用纳米技术储氢材料储制氢燃料的汽车的研究和应用，无疑将有力促进整个汽车行业技术的升级和发展。
2. 能源存储行业能源存储是保障能源稳定性和优化能源利用的重要方向。
而纳米技术储氢材料的出现，则可以为能源存储提供具有成本优势和储量优势的替代方案。
未来，纳米技术储氢材料应用于储能领域的探索和实践也必将得到广泛的开发和应用。
纳米储氢材料原理及示意图
NATURE MATERIALS DOI: 10.1038/NMAT2978
a
d
LETTERS
(100) (002) (101) (102) (110) (103)
After synthesis
Fraction
Cumulative fraction
0.4 0.3 0.2 0.1
00
2468 Particle size (nm)
temperature from a homogeneous tetrahydrofuran (THF) solution containing the following dissolved components: the organometallic precursor bis(cyclopentadienyl)magnesium (Cp2Mg), the reducing agent lithium naphthalide, and the gas-selective polymer poly(methyl methacrylate) (PMMA). Mg nanocrystals are then nucleated and grown in this solution by means of a burst-nucleation and growth mechanism13 in which lithium naphthalide reduces the organometallic precursor in the presence of a capping ligand (the soluble PMMA (Mw = 120,000) acts as a capping ligand for the Mg nanocrystals)14. Transmission electron microscopy (TEM) analysis of our reaction mixture before addition of reductant, immediately thereafter, and at later stages of the growth (Supplementary Fig. S1) further support this model.
纳米储氢合金制备方法
纳米储氢合金制备方法一、化学气相沉积法化学气相沉积是一种常用的制备纳米材料的方法，通过控制反应条件，如温度、压力、气体流量等，可以在较低的温度下制备出高纯度的纳米材料。
该方法可用于制备纳米储氢合金，通常将合金材料放置在高温炉中，通入氢气等反应气体，通过化学反应生成储氢合金纳米颗粒。
二、物理气相沉积法物理气相沉积法是一种制备纳米材料的方法，通过将材料加热到熔融状态后迅速冷却，再通过物理方法将固态颗粒分散到气体中，形成纳米颗粒。
该方法可用于制备纳米储氢合金，通常将储氢合金材料加热到熔融状态，再通过物理方法将熔融状态的合金分散到气体中，形成纳米颗粒。
三、溶胶凝胶法溶胶凝胶法是一种制备纳米材料的方法，通过将前驱体溶液在恒温下进行水解和聚合反应，形成溶胶，再将溶胶干燥、烧结后得到纳米材料。
该方法可用于制备纳米储氢合金，通常将前驱体溶液混合储氢合金元素，通过水解和聚合反应形成溶胶，再将溶胶干燥、烧结后得到纳米储氢合金。
四、微乳液法微乳液法是一种制备纳米材料的方法，通过将两种互不相溶的溶剂混合在一起，形成微乳液，再通过控制反应条件制备出纳米颗粒。
该方法可用于制备纳米储氢合金，通常将储氢合金元素溶解在油性溶剂中，再与水性溶剂混合形成微乳液，通过控制反应条件制备出纳米储氢合金。
五、机械合金化法机械合金化法是一种制备纳米材料的方法，通过将金属粉末在高能球磨机中球磨一定时间，使粉末颗粒细化并发生固态反应形成合金粉末。
该方法可用于制备纳米储氢合金，通常将储氢合金元素粉末放入球磨机中球磨一定时间，使粉末颗粒细化并发生固态反应形成纳米储氢合金粉末。
六、高能球磨法高能球磨法是一种制备纳米材料的方法，通过将金属粉末和研磨球在高能球磨机中球磨一定时间，使粉末颗粒细化并发生固态反应形成合金粉末。
该方法可用于制备纳米储氢合金，通常将储氢合金元素粉末放入球磨机中球磨一定时间，使粉末颗粒细化并发生固态反应形成纳米储氢合金粉末。
七、电解还原法电解还原法是一种制备纳米材料的方法，通过电解熔融盐中的金属离子并在阴极上还原生成金属或合金。
储氢材料分类
储氢材料分类目前储氢材料有金属氢化物、碳纤维碳纳米管、非碳纳米管、玻璃储氢微球、络合物储氢材料以及有机液体氢化物。
下面仅就合金、有机液体以及纳米储氢材料三个方面对储氢材料加以介绍。
一,合金储氢材料储氢合金是指在一定温度和氢气压力下,能可逆的大量吸收、储存和释放氢气的金属间化合物,其原理是金属与氢形成诸如离子型化合物、共价型金属氢化物、金属相氢化物-金属间化合物等结合物,并在一定条件下能将氢释放出来。
合金作为储氢材料要满足一定的要求,首先其氢化物的生成热要适当,如果生成热太高,生成的氢化物过于稳定,释放氢时就需要较高的温度.而如果生成热太低,则不易吸收氢。
其次形成氢化物的平衡压要适当,最好在室温附近只有几个大气压,便于吸放氢,而且要吸放速度快，这样才能够满足实际应用的需求。
另外合金及其氢化物对水、氧和二氧化碳等杂质敏感性小，反复吸放氢时，材料性能不至于恶化。
而且，储氢材料的氢化物还要满足在存储与运输过程中性能可靠、安全、无害、化学性质稳定等条件。
现在已研究的并且符合上述要求的有镁系、稀土系、钛系和锆系等。
在上述储氢材料中，镁系储氢合金具有较高的储氢容量，而且吸放氢平台好、资源丰富、价格低廉，应用前景十分诱人。
镁可直接与氢反应,在300—400℃和较高的压力下, 反应生成Mg和H2反应生成MgH2: Mg + H2= MgH2 △H=-74.6kJ/mol。
MgH2理论氢含量可达7.6% , 具有金红石结构, 性能较稳定, 在287 ℃时分解压为101.3kPa。
由于纯镁的吸放氢反应动力学性能差, 吸放氢温度高, 所以纯镁很少被直接用来储存氢气，为此人们又开始研究镁基储氢合金材料。
到目前为止, 人们已对300多种重要的镁基储氢合金材料进行了研究。
二，液态有机物储氢材料有机液体氢化物贮氢是借助不饱和液体有机物与氢的一对可逆反应, 即加氢和脱氢反应来实现的。
加氢反应时贮氢,脱氢反应时放氢, 有机液体作为氢载体达到贮存和输送氢的目的。
储氢能源材料的应用
储氢材料的应用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。
未来储氢材料的应用领域十分广阔。
在燃料电池、氢气汽车等领域的更引起人们的广泛关注。
1.高性能充电电池一镍氢电池稀土储氢电池是一种新型的化学电源( N i ／MH) ，也被称为镍氢充电电池，它具有比容量高、可快速充电、无记忆效应、无污染、寿命长等显著优点，是充电电池( 又称二次电池) 家族中引人注目的新秀。
1 9 8 3年出现的Ni ／MH二次电池，这是一种以氧化镍( 或多孔金属镍) 为正极，以L a Ni 5型储氢合金为负极，用KOH作电解液的二次电池。
L a N i 5在碱液中作为一种可逆的氢电极，通过电化学反应大量的吸收和解吸氢气，由金属氢化物负极与镍正极构成的二次电池已实现充、放电，反应过程中不发生活性物质的沉淀和溶解，从而也不消耗和产生水。
储氢合金是 2 O世纪6 O年代末发现的一类具有高储氢密度的功能材料，已广泛应用于各行业。
由于对高性价比二次能源的需求日益紧迫，开发新一代高性能储氢电极材料已势在必行。
碳纳米管( C NT) 是继C6 0之后该系列的又一储氢材料，由于其具有高的表面比、低密度和独特的中空结构，碳纳米管作为储氢载体引起了全球广泛关注。
近年来，我国汽车拥有量的猛涨，汽油消费强劲。
2009中国汽车产销超过1350万辆，中国开始成为第一汽车大国。
2012年中国的汽车产销量均超过1900万辆，继续保持世界第一。
我国2012年末全国民用汽车保有量达到12089万辆，其上涨空间还很大。
2.氢气汽车汽油的消耗主体是汽车。
中国每天大约消耗540万桶石油。
其中汽油占26%，中等提炼油（包括柴油，喷气机燃料和煤油）占33%，燃料石油占12%。
然而，我国的油气资源储量和产量明显不足。
尤其是石油资源，2010年，我国共消耗石油4亿多吨，其中，进口2.1亿吨，对外依存度已超过50%，能源形势非常严峻。
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纳米储氢电极材料主要有碳纳米管、镁镍合金和镁钛合金
Mg2 Ni纳米晶储氢材料
性能：它具有储氢容量高,吸放氢平台好,质量轻,资源丰富等优点,但要能达到实用化的目的就必须解决其在室温下吸放氢动力学性能差,表面容易形成氧化膜等缺点。
目前,在镁基储氢合金的开发研究中，现已有Mg2Ni ,Mg2Cu ,Mg2La系储氢合金，还有
一系列的多元MgNi系储氢合金。
制备方法采用机械合金化方法，即使用高能球磨机进行球磨制备
1. 采用机械合金化方法制备了Mg Ni 合金粉末,其晶
粒度在10nm左右。
2. 在较高的速度下球磨可以使生成Mg Ni 合金的时间提
前,完全合金化的过程缩短,还有利于减轻焊合提高球磨效率。
3. 过程控制剂的加入以及循环变速运转可以缓和焊合
现象的发生。
4. 初步的研究结果表明:Mg Ni 纳米晶粉末在室温下即
可吸氢,贮氢性能较之传统方法制备的材料有显著改善。
传统方法制备的Mg Ni 在温度低于250°C时不产生吸
2
氢现象,在经历一个前期活化过程之后,吸放氢实验在250
8
°C～350°C,氢气压力1.5～2.0MPa下完成。
将机械合金化制备的Mg Ni 纳米晶粉末在金属高压系
2
统进行贮氢性能研究。
称取一定量样品放入反应室中,真空加热除气后,冷却到室温,放入一定量的氢气（氢气纯度大于99 %）,观察粉末在室温下的吸氢情况。
储氢碳纳米管
碳纳米管CNTs,Carbon Nanotubes 是一种主要由碳六
边形弯曲处为碳五边形和碳七边形组成的单层或多层
纳米管状材料。
管的内径在几个纳米到几十个纳米之间,
长度可达微米量级。
仅有一层石墨片层结构的单层管被
称为单壁碳纳米管SWNTs, Single - Walled carbon nan
tubes ,有多层石墨片alled carbon nan tubes 。
单壁碳纳米管
是碳纳米管的一层结构的多层管被称为多壁碳纳米
管MWNTs,Multi - W种极限状态,管径较小,直径一般为1～
6nm,最小的直径大约为014nm,其结构中的缺陷不易存
在,具有较高的均匀性和一致性。
多壁碳纳米管的直径一
般为几纳米到几十纳米,长度为几十纳米到微米,层数从
2～50不等,层间距约为0134nm。
（文献参考：Mg_2Ni纳米晶储氢材料的机械合金化制备工艺研究）
物理吸附
理论计算表明,碳纳米管单壁能够通过类似于纳米
毛细作用将HF 分子稳定在管腔中。
分子尺度的微孔能
吸附大量气体,因为这种材料的孔壁具有吸附势,能够增大气体密度经改性的碳纳米管的吸附能力更强
电化学吸附
1
在电化学储氢过程中,水在碳纳米管表面电解,产生
的氢气进入碳纳米管内部。
X1Qin 等人利用循环伏安法
研究了氢在碳纳米管上的电化学储存机理。
充电过程中,
吸附为控速步骤;放电过程中,氧化为控速步骤。
和Ni 粉
一起压制成的碳纳米管电极反应活性高,具有较大的峰电
流。
而峰电压和金属Ni 的峰电压相同,则说明活性点为
Ni。
储氢机理推测为:
- -
Ni + H O+e →NiHad+OH （控速步）
2
NiHad+MWNT （多壁碳纳米管）→MWNTHad+Ni
应用
储氢碳纳米管复合材料的应用可分为两大类。
第一,
把储氢碳纳米管复合材料作为氢的存储体,提供氢源,或
是把储氢碳纳米管复合材料作为电极使用。
第二,把储氢
碳纳米管复合材料作为高级燃料,专供航空或火箭导弹的
推进剂使用。
氢的最大特点是单位质量的燃烧能量很大,
而且还有可能将热能转化为电能。
另外,氢燃烧后变成
水,因而不产生有毒气体,并且二氧化碳的释放量微乎其
微。
在不久的将来,储氢碳纳米管复合材料在国防及民用
工业将得到广泛应用。
展望
虽然储氢碳纳米管复合材料有许多优异独特的性能,
但目前要将其推向市场还存在一些问题。
一是价格太高
生产碳纳米管的成本过于昂贵,1g 纯单壁碳纳米管价格
( )
约1000美元2003 年。
二是目前尚不能大规模生产,只
能在实验室合成。
因此,储氢碳纳米管复合材料研究与开
发的重要任务是改进生产工艺,实现批量生产,降低生产
成本,只有这样才能使储氢碳纳米管复合材料得到真正应
用。
（文献参考: 储氢碳纳米管复合材料性能及其应用）
镁钛合金
据该所分析,这种合金的储氢能力为自身重量的 5 %,比现在达到实用化
水平的镧系合金提高了两倍以上,其重量也比镧系合金轻约30 %。
但此方面相关文献还比较少，但其制备方法可以参考镁镍合金的机械制备法。
锆基锆基纳米复合储氢材料。