新材料論文——儲(chǔ)氫材料.x

1、儲(chǔ)氫合金摘要：近年來(lái)，隨著科技的快速發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，人類對(duì)能源的消耗與依賴越來(lái)越明顯，改變能源機(jī)構(gòu)已成為迫在眉睫的問(wèn)題。顯然，氫氣這種高效綠色能源必將登上歷史舞臺(tái)，但是氫氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸都需要解決很多的問(wèn)題才能夠得以實(shí)現(xiàn)，本文就金屬儲(chǔ)氫原理以及金屬儲(chǔ)氫的應(yīng)用發(fā)展前景做了介紹。關(guān)鍵詞：儲(chǔ)氫合金 研究 制備 發(fā)展前景一.儲(chǔ)氫材料的發(fā)展20 世紀(jì) 60 年代，出現(xiàn)了能儲(chǔ)存氫的金屬和合金，統(tǒng)稱為儲(chǔ)氫合金,這些金屬或合金具有很強(qiáng)的捕捉氫的能力，

2、它可以在一定的溫度和壓力條件下，氫分子在合金(或金屬)中先分解成單個(gè)的原子，而這些氫原子進(jìn)入合金原子之間的縫隙中，并與合金進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成金屬氫化物，外在表現(xiàn)為大量“吸收”氫氣，同時(shí)放出大量熱量。而當(dāng)對(duì)這些金屬氫化物進(jìn)行加熱時(shí)，它們又會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)，氫原子又能 結(jié)合成氫分子釋放出來(lái)，而且伴隨有 明顯的吸熱效應(yīng)。20 世紀(jì) 70 年代，LaNi5 和 Mg2Ni 在荷蘭 Philips 與美國(guó) Brookhaven 實(shí)驗(yàn)室相繼被發(fā)現(xiàn)具有

3、可逆的吸放氫能力并伴隨的一系列物理化學(xué)機(jī)理變化。 儲(chǔ)氫合金的金屬原子之間縫隙不大，但儲(chǔ)氫本領(lǐng)卻比氫氣瓶的本領(lǐng)可大多了。具體來(lái)說(shuō)，單位體積儲(chǔ)氫的密度，是相同溫度、壓力條件下氣態(tài)氫的 1000 倍，也即相當(dāng)于儲(chǔ)存了 1000 個(gè)大氣壓的高壓氫氣。由于儲(chǔ)氫合金都是固體，既不用儲(chǔ)存高壓氫氣所需的大而笨重的鋼瓶，又不需存放液態(tài)氫那樣極低的溫度條件，需要儲(chǔ)氫時(shí)使合金與氫反應(yīng)生成金屬氫化物 并放出熱量，需要用氫時(shí)通過(guò)加熱或減壓使儲(chǔ)存于其中的氫釋

4、放出來(lái)，如同蓄電池的充、放電，因此儲(chǔ)氫合金不愧是一種極其簡(jiǎn)便易行的理想儲(chǔ)氫方法。二，儲(chǔ)氫合金的分類儲(chǔ)氫合金按組成元素的主要種類分為: 稀土系、鈦系、鋯系、鎂系四大類; 按主要組成元素的原子比分為:AB5 型、AB2 型、AB 型、A2B 型, 另外也可按晶態(tài)與非晶態(tài), 粉末與薄膜進(jìn)行分類。2. 1 稀土系儲(chǔ)氫合金稀土系儲(chǔ)氫合金以 LaNi5 為代表, 可用通式 AB5 表示, 具有 CaCu5 型六方結(jié)構(gòu)。早在1969 年實(shí)驗(yàn)室就發(fā)現(xiàn)

5、LaNi5 合金具有優(yōu)良的吸氫特性, 較高的吸氫能力(儲(chǔ)氫量高達(dá) 1. 37 重量% ) , 較易活化, 對(duì)雜質(zhì)不敏感以及吸脫氫不需高溫高壓(當(dāng)釋放溫度高于 40℃時(shí)放氫就很迅速) 等優(yōu)良特性?；旌舷⊥羶?chǔ)氫合金材料有富鈰的和富鑭的, 其優(yōu)點(diǎn)是資源豐富, 成本較低。在混合稀土材料中通常都加入 M n, 這樣可以擴(kuò)大儲(chǔ)氫材料晶格的吸氫能力, 提高初始容量, 但 M n 也比較容易偏析, 生成錳的氧化物, 從而使合金的性質(zhì)和晶格發(fā)生變化,降

6、低吸放氫能力, 縮短壽命。因此, 為了制約 M n 的偏析, 以提高儲(chǔ)氫合金的性能和壽命, 在混合稀土材料中往往還要添加 Co 和 A l。2. 2 鈦系儲(chǔ)氫合金目前己發(fā)展出多種鈦系儲(chǔ)氫合金, 如鈦鐵、鈦錳、鈦鉻、鈦鋯、鈦鎳、鈦銅等, 它們除鈦鐵為 AB 型外,其余都為 AB2 型系列合金。鈦系儲(chǔ)氫合金中以鈦鐵、鈦錳儲(chǔ)氫合金最為實(shí)用, 正在受到人們的重視。FeT i 合金是 AB 型儲(chǔ)氫合金的典型代表, 具有 CsCl 型結(jié)構(gòu)。Fe

7、T i 合金作為一種儲(chǔ)氫材料具有一定的優(yōu)越性, 它的儲(chǔ)氫能力甚至還略高于 L aN i5。首先, FeT i 合金活化后, 能可逆地吸放大量的氫, 且氫化物的分解壓強(qiáng)僅為幾個(gè)大氣壓, 很接近工業(yè)應(yīng)用; 其次, Fe、T i 兩種元素在自然界中含量豐富, 價(jià)格便宜, 適合在工業(yè)中大規(guī)模應(yīng)用, 因此一度被認(rèn)為是一種具有很大應(yīng)用前景的儲(chǔ)氫材料而深受人們關(guān)注。2. 3 鎂系儲(chǔ)氫合金稀土儲(chǔ)氫合金( laN i5 等) 和 T i 系合金(FeT

8、l 等) 單位質(zhì)量吸氫量都不算高(< 400 mA ·hög) , 不能很好地滿足電動(dòng)車等移動(dòng)體對(duì)高比能量電流的要求。作為高容量?jī)?chǔ)氫合儲(chǔ)氫合金回收與提純氫氣在技術(shù)上已實(shí)現(xiàn)實(shí)用化,一部分已實(shí)現(xiàn)商品化。浙江大學(xué)研制的MlNi4.9Al0.1 合金用于合成氨工業(yè)中氫氣的分離和回收。日本的 Japan Steel Works(JSW),Kansai Electric Power 和 Mitsubishi Electr

9、ic 公司[ 16] 合作生產(chǎn)的氫冷卻發(fā)動(dòng)機(jī), 用 120 kg Ca0 .85Mm0 .15Ni4.85Al0.15 提純氫氣, 在 1 萬(wàn)次吸/放氫的循環(huán)內(nèi), 氫氣的純度仍可達(dá) 99 .9 %。3 .3 用作氫化物熱泵金屬氫化物熱泵是美國(guó)學(xué)者 Terry 提出的, 它具有以下的優(yōu)點(diǎn):① 可利用廢熱、太陽(yáng)能等低品位的熱源驅(qū)動(dòng)熱泵工作, 是惟一由熱驅(qū)動(dòng)、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件的熱泵;②系統(tǒng)工作時(shí)只有氣固相作用, 因而無(wú)腐蝕, 且由于無(wú)運(yùn)動(dòng)部件,

10、 因而無(wú)磨損、無(wú)噪聲;③ 系統(tǒng)工作溫度范圍大,不存在氟里昂對(duì)大氣臭氧層的破壞作用;④ 可達(dá)到夏季制冷冬季采暖的雙效作用。由于有以上的點(diǎn), 因而作為熱泵材料的金屬氫化物發(fā)展迅速.3 .4 作為加氫、脫氫反應(yīng)的催化劑1971 年 Phililips 實(shí)驗(yàn)室率先報(bào)道了用 LaNi5 成功的對(duì)硝基苯加氫, 并取得專利。從此儲(chǔ)氫材料在催化加氫、脫氫反應(yīng)中的應(yīng)用引起人們?cè)絹?lái)越大的興趣, 特別是在合成氨領(lǐng)域及甲烷化反應(yīng)的研究極為深入。3 .5

11、 作為鎳氫(Ni/MH)電池的負(fù)極材料Ni/MH 電池于 20 世紀(jì) 90 年代初開始大規(guī)模應(yīng)用于移動(dòng)通信領(lǐng)域, 并得到迅猛發(fā)展。到目前主要分布于:①移動(dòng)電話, ②無(wú)繩電話, ③玩具, ④筆記本電腦, ⑤CD 機(jī), ⑥電動(dòng)工具, ⑦無(wú)線電收音機(jī), ⑧電動(dòng)汽車(特別是電動(dòng)自行車)等領(lǐng)域。隨著新型手提式和無(wú)繩電子產(chǎn)品的數(shù)量的增長(zhǎng)而增長(zhǎng), 并可能滲透到能源和儲(chǔ)能系統(tǒng)中。3 .6 其他方面的應(yīng)用此外, 儲(chǔ)氫合金還應(yīng)用于分離氫的同位素、溫度-壓

12、力傳感器。氫化處理制備金屬微粉技術(shù), 如用 HDDR(氫化-歧化-脫氫-再結(jié)合)工藝制備 Nd-Fe-B 磁性粉末;作為堿金屬氯化物電解槽負(fù)極材料的組分等。四. 儲(chǔ)氫合金的技術(shù)難點(diǎn)4 .1 儲(chǔ)氫容量低目前商業(yè)化主要是 AB5 型、AB 型和 AB2 型 Laves 相貯氫合金, 在常溫常壓下的儲(chǔ)氫量都低于 2 .0 %。其他的如 Mg 系、BCC 固溶體合金雖然儲(chǔ)氫量很高, 但還只停留在實(shí)驗(yàn)室階段。到目前為止 Mg 系、BCC 固溶