储氢材料概述
储氢材料
储氢材料摘要：作为一种新型的清洁能源，氢的廉价制取、安全高效储存与运输及其模型应用，将是今后研究的重点。
本文介绍了储氢材料的结构、性能、制备及应用；展望了储氢材料的发展趋势。
关键字：氢；储氢材料；清洁能源1引言随着传统能源的日渐枯竭，致使人类面临着能源、资源和环境危机的严峻挑战，同时人们环保意识的日益增强，开始大力寻找新的洁净能源己成为科研工作的焦点[l]。
在这些过程中，氢以其独有的优点逐渐得到人们的公认。
氢作为洁净能源具有以下优点：(l) 氢的燃烧产物是水，对环境不产生任何污染；(2) 氢可以通过太阳能、风能等分解水而再生，是可再生能源；(3) 燃烧1g氢放出的热量是等量汽油的3倍左右；(4) 氢资源丰富，可通过水、碳氢化合物等电解或分解生成。
由此可见，氢是一种清洁，高效的能源，在未来有着广阔的应用前景。
在氢能利用过程中，有两个重要的方面，即氢能的制备和储运。
在氢能的制备方面：人类通过利用太阳能光解海水可以制得大量的氢；故氢的储存和运输是其发展和应用中遇到的难点之一。
2 氢的存储标准与现状“储氢材料”顾名思义是一种能够储存氢的材料。
衡量储氢材料性能的标准主要有2个：体积储氢密度(kg/m3)和储氢质量分数(%)。
体积储氢密度为系统单位体积内储存氢气的质量，储氢质量分数为系统储存氢气的质量与系统质量的比值。
另外，充放氢的可逆性、充放气速率及可循环使用寿命等也是衡量储氢材料性能的重要参数[2]。
和其它物质一样，氢的存在状态也是固态、液态、气态。
气态时存储方式较为简单方便，也是目前储存压力低于17MPa氢气的常用方法。
但其密度较小，体积大；由于是易燃气体在运输和使用过程中存在安全隐患是该方法的不足之处。
液态储氢方法的体积密度高(70kg/m3)，但氢气的液化需要冷却到20K的超低温下才能实现，此过程消耗的能量约占所储存氢能的25%~45%。
液态氢不仅储存成本高，而且使用条件苛刻，目前只限于在航天技术领域中应用。
稀土储氢材料
稀土储氢材料
稀土储氢材料是一类具有很高储氢容量和较低吸放氢温度的储氢材料。
稀土元素由于其特殊的电子结构和原子尺寸，使得其化合物具有较高的储氢能力，因此成为了储氢材料研究的热点之一。
首先，稀土储氢材料的储氢机制主要包括物理吸附和化学吸附两种方式。
在物理吸附中，氢气以分子形式吸附在材料表面，而在化学吸附中，氢气会与稀土元素发生化学反应，形成化合物储存在材料中。
这两种方式相互作用，共同提高了稀土储氢材料的储氢能力。
其次，稀土储氢材料的储氢性能受到多种因素的影响。
首先是晶体结构，稀土储氢材料的晶体结构对其储氢性能有着重要影响，合适的晶体结构可以提高材料的储氢能力。
其次是表面积和孔隙结构，较大的表面积和合适的孔隙结构有利于提高储氢材料的吸氢速率和储氢容量。
此外，稀土元素的种类和含量、材料的热稳定性等因素也会对储氢性能产生影响。
最后，稀土储氢材料在氢能领域具有广泛的应用前景。
随着氢能技术的发展，稀土储氢材料将成为氢能储存和传输的重要材料。
此外，稀土储氢材料还可以应用于氢燃料电池、氢化物储氢系统等领域，为氢能产业的发展提供重要支撑。
总之，稀土储氢材料具有很高的储氢能力和广阔的应用前景，对于推动氢能技术的发展具有重要意义。
随着材料科学和氢能技术的不断进步，相信稀土储氢材料将会在未来发挥更加重要的作用。
储氢材料
储氢材料摘要：化学与能源是紧密联系在一起的，而氢能源是当前研究很前沿的一种新能源，对人类社会发展的重要性不言而喻。
关于氢能源现在一个比较重要的课题就是如何有效地将氢储存起来，本文主要是对储氢材料的发展、现状及前景做一些简单的概述背景：进入二十世纪以来，一方面煤、石油、天然气等化石能源的日益枯竭使人类面临着能源危机的威胁，另一方面，化石能源所带来的环境污染给人类社会带来了诸如全球变暖、淡水资源减少、生物多样性减少、环境公害等诸多灾难，形成了一系列的恶性循环，严重制约了人类的发展，并且有愈演愈烈的趋势。
因此发展可再生的无污染的新能源迫在眉睫，而氢使人们看到了希望，氢燃烧能量密度高，无污染，而且可通过水的分解而再生。
但人们遇到的一个问题是如何利用氢能，比如将氢能作为汽车动力，该怎么把较多量的氢存储起汽车狭小的空间里，如果不能解决氢的存储问题，氢能是难以大规模的利用的。
而储氢材料是储氢的关键，因此储氢材料成为当前研究的热门主题。
正文部分：储氢的传统手段是用厚重的耐压钢瓶来储存氢气，这种方法比较笨重，并且要消耗很多氢气压缩功，由于氢气密度小，在有限的容积内只能储存少量的氢气，且处于高压力下，在存储和使用过程中存在安全隐患。
而液态氢的存储必须在20K或者装在绝热的高压容器中，制造液态氢的设备费用很高，液化时又要消耗大量的能量，氢气与空气混合后还有爆炸的危险，既不经济又不安全。
因此传统的储氢手段不能满足氢能的广泛利用，而储氢材料的出现能有效地解决氢的存储和输送问题，其发展和应用对环境保护和能源开发有着重要的意义。
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。
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)。
固态储氢材料原理
固态储氢材料原理
固态储氢材料是一种新型的储氢材料，它将氢气以化学键的形式存储在晶体结构中。
固态储氢材料的储氢原理可分为三种类型：物理吸附、化学吸附和化合物。
1. 物理吸附：物理吸附基于氢气与材料表面之间的非化学相互作用。
材料表面的小孔和孔隙能够吸附氢气，并在一定温度和压力下释放氢气。
这种储氢方式具有很高的储氢容量，但氢气的吸附和释放需要较高的温度和压力。
2. 化学吸附：化学吸附是固态储氢材料最常见的储氢方式。
它基于氢气和储氢材料之间的化学反应，将氢气转化为化学键形式存储在材料中。
这种储氢方式具有较高的储氢容量和低温低压下的高效吸附和释放。
3. 化合物：化合物是一种将氢气与其他元素形成化学键的储氢方式。
当氢气与储氢材料中的元素反应时，形成具有高储氢容量的化合物。
这种储氢方式具有很高的储氢密度，但是需要较高的温度和氢气压力才能实现。
固态储氢材料的研究和开发是一个重要的领域，它在未来能够为氢能产业的发展提供可靠、高效和安全的储氢解决方案。
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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。
储氢材料的储氢原理
储氢材料的储氢原理储氢技术作为一种重要的能源存储和利用方式，被广泛应用于氢能源的开发和利用过程中。
而储氢材料作为储氢技术的关键部分，其储氢原理对于储氢效率和安全性具有重要影响。
本文将从储氢材料的储氢原理进行介绍，以期更好地理解和利用储氢技术。
储氢材料的储氢原理主要包括物理吸附储氢和化学储氢两种方式。
物理吸附储氢是指通过材料的微孔结构来吸附氢气分子，实现氢气的储存。
这种储氢方式的原理是基于物理吸附剂表面与氢气分子之间的相互作用力。
常见的物理吸附剂包括活性炭、金属有机骨架材料（MOF）和多孔结构材料等。
这些材料具有高比表面积和丰富的微孔结构，能够提供大量的吸附位点。
氢气分子在材料表面的微孔中通过范德华力与材料表面发生相互作用，从而被吸附储存起来。
物理吸附储氢的优点是储氢效率高、储氢和释放过程可逆，但其吸附能力受到温度和压力的限制。
化学储氢是指通过材料的化学反应来实现氢气的储存和释放。
这种储氢方式的原理是材料与氢气分子之间发生化学反应，形成化合物。
常见的化学储氢材料包括金属氢化物、金属-非金属复合物、氮化物和硼化物等。
这些材料具有较高的储氢密度和储氢容量，能够在相对较低的温度和压力下储存和释放氢气。
化学储氢的优点是储氢密度高、储氢能力稳定，但其缺点是储氢和释放过程不可逆，需要通过外部能量进行储氢和释放。
除了物理吸附和化学反应，一些材料还可以通过水素溶解度高来实现氢气的储存。
这种溶解储氢的原理是氢气分子在材料中以分子溶解的形式存在。
常见的溶解储氢材料包括氢气在液态金属中的溶解和氢气在聚合物中的溶解。
溶解储氢的优点是储氢容量高、储氢和释放过程可逆，但其需要较低的温度和较高的压力来实现。
储氢材料的储氢原理主要包括物理吸附、化学反应和溶解三种方式。
不同的储氢材料具有不同的储氢原理，选择合适的储氢材料对于提高储氢效率和安全性具有重要意义。
同时，储氢材料的研发和应用也是提升氢能源利用效率和推动氢能源产业发展的关键之一。
储氢材料的研究进展
储氢材料的研究进展储氢材料是一种能够吸附和释放氢气的材料，广泛应用于氢能源领域。
目前，研究人员正在不断寻找新型的储氢材料，以提高氢气的吸附能力和储存密度，并且减少储氢过程中的能量损失。
以下是当前储氢材料研究领域的一些进展。
一、金属有机骨架材料（MOF）金属有机骨架材料是一种由金属离子和有机配体组成的晶体结构。
这种材料具有高度可控的孔隙结构，能够提供大量的吸附空间。
研究者已经成功开发出一系列储氢性能优良的MOF材料。
例如，Mg-MOF-74材料具有高达7.5 wt%的氢气存储密度，在77 K、20 bar的条件下可以实现高达6.0 wt%的氢气吸附。
二、共价有机框架材料（COF）共价有机框架材料是一种新型的多孔有机材料，由于其特殊的共价键连接方式，其结构稳定性和储氢性能较好。
例如，研究者在实验中发现，COF-5可以在77 K、物理吸附模式下实现高达7.2 wt%的氢气储存密度。
三、纳米多孔材料纳米多孔材料是一种具有高度可控孔隙结构和较大比表面积的材料。
这些材料具有丰富的储氢位点，并且能够实现快速的吸附和释放过程。
例如，一些石墨烯基的纳米多孔材料已经成功应用于氢能源领域。
研究者发现，这些纳米多孔材料能够实现高达5 wt%的氢气吸附。
四、氧化物材料氧化物材料是一种常见的储氢材料，具有较好的储氢性能。
例如，氧化镁和氧化钛等材料具有良好的氢气吸附能力。
此外，一些研究者还研究了稀土氧化物的储氢性能，并发现它们可以在相对较低的温度和压力下实现高储氢密度。
综上所述，储氢材料的研究进展十分迅速。
金属有机骨架材料、共价有机框架材料、纳米多孔材料和氧化物材料等新型储氢材料的开发，为增加氢气的储存密度以及减少储氢过程中的能量损失提供了新的思路和方法。
随着进一步研究和开发，相信未来储氢材料的性能将不断提高，并为氢能源的广泛应用提供有力支持。
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。