储氢材料简介(谷风参考)
储氢材料
储 氢 材 料
The brief introduction of hydrogen storage materials
什么是储氢材料？
在一定的温度和压力条件下，能 可逆地吸收和释放氢气的材料，可 作为储氢材料。
储氢材料应具备的特点： 1、低释氢温度
2、吸收—放氢过程可逆
3、材料稳定，安全，无毒，低成本
储氢合金按组成元素的主要种类分为：镁系、稀土系、
钛系、锆系、铁系五大类。
按主要组成元素的原子比分为:AB5型、AB2型、AB 型、
A2B型，其中A是容易形成稳定氢化物的发热型金属元素，B 为难于形成氢化物的吸热型元素，且A原子半径大于B原子半 径。 A如：Ti、Zr、La、Mg、Ca、 Mm（混合稀土金属）等。
单壁纳米碳管束TEM 照片
多壁纳米碳管TEM 照片
2.2.2 碳纳米管材料的制备及研究方法 制备方法 电弧法 气相沉积法
低分子化合物
加载气（H2） 金属微粒催化剂
气相生长
1000~1400°C
碳纤维（或纳米管） 石墨化
2000~3000°C
表面处理
产品
石墨纤维 （或纳米管）
研究方法
有机液态氢化物主要包括苯、甲苯、萘等，人们现在主 要用苯及甲苯来储氢。
有机液体氢化物储氢的优、缺点
有机液体储氢技术与传统的储氢技术(深冷液化、金属氢化 物、高压压缩)相比具有以下优点：
①储氢量大 苯和甲苯的理论储氢质量分数分别为7.19%和 6.18%,比传统的金属氢化物、高压压缩的储氢量大得多。
MOF-5的吸附等温线78K
MOF-5的吸附等温线298K
温度、压力对其储氢性能的影响
贮氢材料
发展简史
60年代末，美国布鲁海文国家实验室首先发现镁镍合金具有吸氢特性。几乎同时，荷兰菲浦实验室在研究作 为磁性材料IaNi5的性能时，偶然发现LaNi5能大量可逆吸、放氢的性能。1974年日本松下电器公司发现钛锰合金 具有极高的吸氢能力。中国贮氢材料的研究始于70年代末，解决了TiTe的常温活化难题，浙江大学发展了 Mn1-x CaxNi5系贮氢材料。
钛铬系
典型代表是Ticr2，属AB2型，进一步发展为TiZrCrMnVFe，德国HWT公司有商品贮氢罐出售，他们已制成可 贮存2000m3的大型贮氢罐，经改性后这类贮氢材料还可满足不同用途的需要。
钒系
里鲍茨(libowitz)提出的体心立方型钒系贮氢材料，它的熵值高，可用于设计成高效热泵，是新一类贮氢合 金系列。
贮氢材料贮氢后，其体积浓度大于液氢，几种贮氢材料贮氢后的浓度(每立方厘米中的氢原子数×1022)分别 为：液氢(20K)4.2，FeTiH 1.76，LaNi5H 6.7，ZrH27.3，TiH29.2同时，贮氢后一般只有0.5～2.0MPa的压力， 比高压钢瓶贮氢安全，比液氢也安全，成本低。贮氢材料贮氢后放出的氢，纯度可达99.9999%。
压力和机械能
金属贮氢材料吸、放氢时，有一定平衡压，随温度的升高，其平衡压将迅速升高。如某些贮氢材料贮氢后的 平衡压在100℃时达5～12MPa的压力。
电化学功能
贮氢材料本身具有一定的电化学催化功能，同时，所释放出的氢也极易转化成电能，因此可利用此功能开发 二次电池。
储氢材料概述详解
2.20TiFeH1.04 + H2 → 2.20TiFeH1.95 ( phase )
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Seminar I
Fuel Cell R&D Center
PCT curves of TiFe alloy
TiFe(40 ℃)
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Seminar I
Fuel Cell R&D Center
镁系
典型代表：Mg2Ni，美Brookhaven国家实验 室首先报道
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Seminar I
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Seminar I
Fuel Cell R&D Center
接上图
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Seminar I
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3.2配位氢化物储氢
碱金属（Li、Na、K）或碱土金属（Mg、 Ca）与第三主族元素(B、Al)形成 储氢容量高 再氢化难(LiAlH4在TiCl3、 TiCl4等催化下180℃ ，
2.1 体积比较
4
Seminar I
Fuel Cell R&amrage capacity (wt%)
0 1 2 3 4 5
LaNi5H6
1.4wt%
per weight
TiFeH1.9
1.8wt%
Mg2NiH4
3.6wt%
Carbon nanotube (RT,10MPa 氢压)
8MPa氢压下获得5％的可逆储放氢容量)
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金属配位氢化物的的主要性能
℃
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Seminar I
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四 储氢材料的应用
储氢材料
2 M (固) + H 2 ( 气, p ) n
吸氢, 吸氢,放热 放氢, 放氢,吸热
2 MH n (固) − ∆H n
式中， 金属； 式中，M---金属； MHn---金属氢化物 金属 金属氢化物 P---氢压力；∆H---反应的焓变化 氢压力； 氢压力 反应的焓变化 反应进行的方向取决于温度 氢压力。 反应进行的方向取决于温度和氢压力。 取决于温度和
金属氢化物的相图
金属-氢系的相平衡 温度T 压力p 金属 氢系的相平衡由温度T、压力p和组 氢系的相平衡由 成成分c三个状态参数控制 成成分c三个状态参数控制。 控制。 用温度、压力、成分组成二元直角坐标可 温度、压力、成分组成二元直角坐标可 以完整地表示出金属 氢系相图 金属--氢系相图。 以完整地表示出金属--氢系相图。
然而，氢吸收元素和氢非吸收元素组成的 然而，氢吸收元素和氢非吸收元素组成的 合金，不一定都具备贮氢功能 贮氢功能。 合金，不一定都具备贮氢功能。 例如在 和 的金属间化合物中 的金属间化合物中， 例如在Mg和Ni的金属间化合物中，有 Mg2Ni和MgNi2。Mg2Ni可以和氢发生反应生 Ni可以和氢发生反应生 和 氢化物， 成Mg2NiH4氢化物，而MgNi2在100atm左右的 左右的 压力下也不和氢发生反应。 压力下也不和氢发生反应。
另外，作为 和 的金属间化合物 的金属间化合物， 另外，作为La和Ni的金属间化合物，除 LaNi5外，还有 还有LaNi，LaNi2等。 ， LaNi，LaNi2也能和氢发生反应，但生 ， 也能和氢发生反应， 成的La的氢化物非常稳定，不释放氢， 成的 的氢化物非常稳定，不释放氢，反应 的氢化物非常稳定 的可逆性消失了。 的可逆性消失了。
贮氢合金材料都服从的经验法则 贮氢合金材料都服从的经验法则是“贮 都服从的经验法则是 氢的吸收元素(IA—IVA族金属 和氢 族金属)和 氢合金是氢的吸收元素 氢合金是氢的吸收元素 族金属 的非吸收元素(VIA-VIII族金属 所形成的合 的非吸收元素 族金属)所形成的合 族金属 金”。 如在LaNi5里La是前者，Ni是后者；在 是前者， 是后者 是后者； 如在 是前者 FeTi里Ti是前者，Fe是后者。即，合金氢化 里 是前者 是前者， 是后者 是后者。 物的性质介于其 物的性质介于其组元纯金属的氢化物的性质 介于其组元纯金属的氢化物的性质 之间。 之间。
储氢材料
实现氢能经济的关键技术
廉价而又高效的制氢技术
——人类通过利用太阳能光解海水可以制得大量的氢
安全高效的储氢技术
——开发新型高效的储氢材料和安全的储氢技术是当务之 急
不同储氢方式的比较
气态储氢
1) 能量密度低 2) 不太安全
液态储氢
1) 能耗高 2) 对储罐绝热性能要求高
固态储氢的优势：（金属或合金储氢）
工艺上降低成本，减轻重量，这种高容量贮氢器可在
氢能汽车、氢电动车、氢回收、氢净化、氢运输等领
域得到广泛的应用。
利用贮氢材料吸收氢的特性，可从氯碱、合 成氨的工业废气中回收氢；可方便而廉价地获取
超高纯H2(99.9999％)，实现氢的净化；还可将难
与氢分离的气体，如而实现氢的分离；
AB5型储氢合金（以LaNi5为例）
优点：吸氢量大，室温即可活化，不易中毒，平衡 压力适中，吸放氢速度快且滞后小。 缺点：吸放氢循环过程中晶胞体积膨胀大，成本高， 大规模应用受限。 应用领域：热泵、电池、空调器中。
AB2型储氢合金（以TiMn2为例）
具有Laves相结构（当两组元合金元素的原子半径 比为1.2:1时形成的一种金属间化合物），不过成分 并不固定，可在很大范围内变化。 代表性合金： ZnMn2, TiMn2, TiCr2等。 优点：更高的氢气存储能力和循环寿命长。 缺点：活化困难、高速放电能力差、价格贵。
A2B型储氢合金（以Mg2Ni为例）
优点：密度小，储氢容量高，资源丰富，价格低廉。 缺点：Mg的吸放氢条件比较苛刻，反应温度300400℃，2.4-40MPa才能生成MgH2，反应速度较慢。 应用：车用动力型电池。
金属材料之储氢材料
储氢材料通过物理吸附或化学反 应的方式储存氢气，具有高容量 、高纯度、低成本等优点。
储氢材料的分类
根据储氢原理，储氢材料可分为 物理吸附储氢和化学反应储氢两
类。
物理吸附储氢材料主要利用材料 表面的物理吸附作用储存氢气， 具有较高的储存密度和安全性。
化学反应储氢材料通过化学反应 将氢气储存于材料的化学键中， 具有较高的储存容量和较低的成
02 金属储氢材料的特性
金属储氢原理
金属与氢气发生反应，通过物理吸附或化学键合的方式将氢气储存于金属材料中。
金属储氢过程中，氢气与金属原子之间相互作用，形成稳定的金属氢化物。
金属储氢的原理主要基于金属的化学性质和晶体结构，不同的金属具有不同的储氢 能力和特性。
金属储氢材料的优点
01
02
03
高储氢密度
燃油效率和环保性能。
汽车热能回收
03
金属储氢材料可以吸收和释放大量的热能，可用于汽车热能回
收和利用。
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THANKS
降低成本和提高安全性
成本
金属储氢材料的成本较高，限制了其 大规模应用。通过降低材料成本、优 化制备工艺和提高回收利用率，可以 降低金属储氢材料的成本。
安全性
金属储氢材料在充放氢过程中存在一 定的安全隐患。因此，提高金属储氢 材料的安全性是当前面临的重要挑战。 通过改进材料结构和控制反应条件， 可以降低安全风险。
材料复合化
金属间化合物
多层复合材料
通过控制金属元素的配比和合成条件， 制备具有优异性能的金属间化合物储 氢材料。
将不同种类的金属储氢材料进行多层 复合，利用各层材料的优点实现优异 的综合性能。
纳米复合材料
将金属储氢材料与纳米尺度的其他材 料（如碳纳米管、陶瓷颗粒等）进行 复合，以提高材料的储氢性能和机械 强度。
储氢材料有哪些
储氢材料有哪些
储氢材料是指能够吸附、吸收或储存氢气的材料。
随着氢能源的发展，储氢材
料的研究和开发变得越来越重要。
目前，主要的储氢材料包括金属氢化物、碳基材料、化合物材料等。
这些材料在储氢过程中具有不同的特性和应用。
金属氢化物是一类重要的储氢材料，它们可以通过吸附氢气来实现储氢。
金属
氢化物的储氢能力主要取决于金属和氢原子之间的化学键强度。
常见的金属氢化物包括镁、钛、锆等金属的氢化物。
这些材料在储氢过程中能够释放出大量的能量，因此被广泛应用于氢能源领域。
碳基材料也是重要的储氢材料之一。
碳材料具有较大的比表面积和丰富的微孔
结构，能够有效地吸附氢气。
常见的碳基储氢材料包括活性炭、碳纳米管、石墨烯等。
这些材料具有良好的化学稳定性和储氢性能，因此被广泛应用于氢能源的储氢系统中。
除了金属氢化物和碳基材料，化合物材料也是重要的储氢材料之一。
化合物材
料通常由金属、非金属元素组成，具有较高的储氢容量和储氢速率。
常见的化合物储氢材料包括金属有机框架材料、过渡金属硼化物、氨硼烷等。
这些材料在储氢过程中能够实现高密度的氢储存，因此被广泛应用于氢能源的储氢系统和储氢车辆中。
总的来说，储氢材料的研究和开发对于推动氢能源的发展具有重要意义。
不同
类型的储氢材料具有不同的特性和应用，可以根据具体的需求选择合适的材料。
随着科技的不断进步，相信未来会有更多高效、安全、经济的储氢材料出现，为氢能源的发展注入新的动力。
储氢材料综述
储氢材料研究现状与发展趋势xxx摘要：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,如金属储氢(镁基储氢、Fe-Ti基储氢、金属配位氢化物、钒基固溶体型储氢)、碳基储氢、有机液体储氢等材料,比较了各种储氢材料的优缺点,并指出其发展趋势。
关键字：储氢材料，储氢性能，金属储氢，碳基储氢，有机液体储氢。
1.引言氢原料来源广泛、无污染且能量转换效率高，是解决未来清洁能源需求问题的首选新能源之一。
氢是宇宙中含量最丰富的元素之一。
氢气燃烧后只产生水和热，是一种理想的清洁能源。
氢能利用技术，如氢燃料电池和氢内燃机，可以提供稳定、高效、无污染的动力，在电动汽车等领域有着广泛的应用前景。
由于氢能技术在解决人类面临的能源与环境两大方面的重大作用，国内外对氢能技术都有大量资金投入，以加快氢能技术的研发和应用。
氢能作为一种储量丰富、来源广泛、能量密度高的绿色能源及能源载体，正引起人们的广泛关注。
氢能的开发和利用受到美、日、德、中、加等国家的高度重视，以期在21世纪中叶进入氢能经济(hydrogeneconomy)时代。
氢能的利用需要解决三个问题:氢的制取、储运和应用，而氢能的储运则是氢能利用的瓶颈。
氢在正常情况下以气态形式存在、密度最小、且易燃、易爆、易扩散，这给储存和运输带来很大困难。
当氢作为一种燃料时,必须具有分散性和间歇性使用的特点,因此必须解决储存和运输问题。
储氢和输氢技术要求能量密度大(包含质量储氢密度和体积储氢密度)、能耗少、安全性高。
当氢作为车载燃料使用(如燃料电池动力汽车)时,应符合车载状况的要求。
对于车用氢气存储系统,国际能源署(IEA)提出的目标是质量储氢密度大于5wt%,体积储氢密度大于50kgH2/m3,并且放氢温度低于423K,循环寿命超过1000次;而美国能源部(DOE)提出的目标是到2010年质量储氢密度不低于6wt%,体积储氢密度大于45kgH2/m3;到2015年上述指标分别达9wt%和81kgH2/m3;到2010年车用储氢系统的实际储氢能力大于3.1kg(相当于小汽车行使500km所需的燃料)。