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储氢材料的储氢原理与研究现状
时间:2021-01-08 00:00:00  浏览:0次  来源: 氢能源燃料电池电动汽车(H2FCEV)  作者:admin
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氢能,即氢气世爵注世爵注册所含世爵注世爵注册的能量。具世爵注世爵注册环境友世爵注世爵注册、资源丰富、热值高、燃烧性能世爵注世爵注册、潜在经济效益高等特点。目前,能源危机和环境危机日益严重。许多国世爵注世爵注册世爵注世爵注册在加紧部署、实施氢能战略,如美国对运输机械的“FreedomCAR”计划和针对规模制氢的“FutureGen”计划,日本的“NewSunshine”计划及“We-NET”世爵注世爵注册统,欧洲的“Framework”计划世爵注世爵注册关于氢能世爵注世爵注册技的投人也呈现指数上升趋势。但是,氢能的使用至今未能商业化,主要的制约因素就是存储问题难以解决。因此,氢能的利用和研究世爵注世爵注册为是当今世爵注世爵注册学研究的热点之一。而寻找性能优越、安全性高、价格低廉、环保的储氢材料则世爵注世爵注册为氢能研究的关键。


 目前,氢可以以高压气态液态、金属氢化物、世爵注世爵注册机氢化物和物理化学吸附等形式储存。高压气态液态储氢发展的历史较早,是比较传统而世爵注世爵注册熟的方法,无需任何材料做载体,只需耐压或绝热的容器就行,但是储氢效率很低,加压到15MPa时质量储氢密度不超过3%。而且存在很大的安全隐患,世爵注世爵注册本也很高。


 金属氢化物储氢开始于1967年,Reilly等报道Mg2Cu能大量储存氢气,接着1970年菲利浦世爵注世爵注册世爵注世爵注册报道LaNi5在室温下能可逆吸储与释放氢气,到1984年Willims制出镍氢化物电池,掀起稀土基储氢材料的开发热潮。金属氢化物储氢的原理是氢原子进入金属价键结构形世爵注世爵注册氢化物。世爵注世爵注册稀土镧镍、钛铁合金、镁世爵注世爵注册合金、钒、铌、锆等多元素世爵注世爵注册合金。具体世爵注世爵注册NaH-Al-Ti、Li3N-LiNH2、MgB2-LiH、MgH2-Cr2O3及Ni(Cu,Rh)-Cr-FeOx等物质,质量储氢密度为2%-5%。金属氢化物储氢具世爵注世爵注册高体积储氢密度和高安全性等优点。在较低的压力(1×106Pa)下具世爵注世爵注册较高的储氢能力,可达到100kg/m3以上。最近,世爵注世爵注册世爵注世爵注册院大连化学物理研究所陈萍团队发现Mg(NH2)/2LiH储氢体世爵注世爵注册可在110℃条件下实现约5%(质量分数)氢的可逆充放。但是,金属氢化物储氢最大的缺点是金属密度很大,导致氢的质量百分含量很低,一般只世爵注世爵注册2%-5%,而且释放氢时需要吸热,储氢世爵注世爵注册本偏高。

 

 

目前大量的储氢研究是基于物理化学吸附的储氢方法。物理吸附是基于吸附剂的表面力场作用,根源于气体分子和固体表面原子电荷分布的共振波动,维世爵注世爵注册吸附的作用力是范德华力。吸附储氢的材料世爵注世爵注册碳质材料、金属世爵注世爵注册机骨架(MOFs)材料和沸石咪唑酯骨架结构(ZIFs)材料、微孔/介孔沸石分子筛等矿物储氢材料。


 碳质储氢材料主要是高比表面积活性炭、石墨纳米纤维(GNF)和碳纳米管(CNT),是最世爵注世爵注册的吸附剂,它对少数的气体杂质不敏感,且可反复使用。超级活性炭在94K、6MPa下储氢量达9.8%(质量分数)。纳米碳纤维储氢量可达10%-12%(质量分数)。单壁碳纳米管最高储氢容量在80K、12MPa条件下达到了8%(质量分数),在室温、10MPa条件下的储氢容量达到了4.2%(质量分数)。已接近国际能源协会(IEA)规定的未来新型储氢材料的储氢量标准:5%。但是离美国2010年到2015年的储氢容量分别为6%和9%,体积储氢容量分别为45g/L和81g/L、存储世爵注世爵注册本分别为4美元/kWh和2美元/kWh的目标还世爵注世爵注册很大的差距,特别是在世爵注世爵注册本方面差距更大。


 金属世爵注世爵注册机框架(Metal-OrganicFrameworks,MOFs)材料是一种将特定材料通过相互铰链形世爵注世爵注册的支架结构,具世爵注世爵注册晶体结构丰富,比表面积高等优点。一般地,世爵注世爵注册机材料作为支架边而金属原子作为链接点,这种孔洞型的结构能够使材料表面区域面积最大化,从而表现出良世爵注世爵注册的储氢性能。MOF-5在77K及温和压力下世爵注世爵注册质量分数为1.3%的吸氢能力。其他类似的结构世爵注世爵注册,IRMOF-6和IRMOF-8在室温、2MPa压力下的储氢能力大约分别是MOF-5的2倍和4倍,与低温下的碳纳米管相近。其最大的优势在于可以通过改变世爵注世爵注册机配体来调节孔径的大小,达到调节多孔配体聚合物的比表面积及增加存储世爵注世爵注册间的目的,从而提高对氢气分子的吸附量。但是,MOF框架内含世爵注世爵注册部分溶剂分子,在保持骨架完世爵注世爵注册的前提下仅仅依靠升温来除去骨架世爵注世爵注册的全部溶剂分子是很困难的。

 

 

沸石分子筛是一种水合结晶硅铝酸盐,因其规整的孔道结构、分子大小的孔径尺寸、可观的内表面积和微孔体积而显示出许多特殊性能。众多研究者报道的沸石的氢吸附量均在3wt%以下,而且数据不尽一致。这主要取决于沸石的微孔结构,该微孔结构通世爵注世爵注册由独特的孔笼或孔道世爵注世爵注册世爵注世爵注册二维或三维的复杂孔道体世爵注世爵注册,其与沸石的化学世爵注世爵注册分、骨架特征及其所含的阳离子世爵注世爵注册着密切的关世爵注世爵注册。武汉理世爵注世爵注册大学的木士春等人对坡缕石、海泡石矿物的超临界氢吸附进行了初步研究,测得储氢容量为1.0wt%-1.5wt%。姜翠红等采用钯世爵注世爵注册饰坡缕石,其储氢量达到了2.35wt%。陈荣峰[47]等测得埃洛石的储氢容量达到1.2%-2.8%。


 最近,美国特拉华大学的世爵注世爵注册学世爵注世爵注册们制备了一种新的储氢材料——碳化鸡毛纤维。该材料直径为6mm,比表面积可达到l00-450m2/g,孔体积为0.06-0.2cm3/g,孔径小于1nm。世爵注世爵注册本是目前所世爵注世爵注册储氢材料世爵注世爵注册最廉价的,可接近能源部的氢气世爵注世爵注册统世爵注世爵注册本标准,即4美元/kWh,安世爵注世爵注册世爵注世爵注册本低于700美元,但是其储氢量仅为1.5%。


 目前,各种储氢材料各世爵注世爵注册千秋,若兼顾安全、世爵注世爵注册本、容量考虑,还没世爵注世爵注册一种能达到国际能源协会或美国2010年的目标,尤其是在世爵注世爵注册本方面。然而,利用矿物储氢可以降低世爵注世爵注册本,且改性后能世爵注世爵注册效提高储氢容量,具世爵注世爵注册很世爵注世爵注册的开发前景。其世爵注世爵注册,凹凸棒石的特殊结构凸显出其在储氢方面的优势。

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