材料化学调研报告

新能源材料——关于储氢材料课题的调研报告课题组：伏柏达（组长）、王成、张彬、李雪菲、余春娇指导教师：罗民课题摘要：随人类社会发展进步，生活逐步现代化，也伴随着资源的大量开发与使用，这使人类面临着全地球的能源危机和环境污染问题。长期以来，地球上的主要能源煤炭、石油、天然气现已面临枯竭的境地。在能源危机警钟响起时，人们开始把注意力转移到太阳能、原子能、核能、地热能、氢能等新能源上。但是要使这些自然存在形态的能量转变为人们直接能够使用的能量，必须要把它们转化为二次能源。那么最佳的二次能源是什么呢？氢能就是一种最佳的二次能源。氢是地球上一种取之不尽的元素。用电解水法取氢就是氢元素的广阔源泉。氢的发热值高，燃烧时的发热量在所有化学燃料发热值中首屈一指，而且氢又是一个对环境无污染的元素。所以人们很自然地把注意力集中在氢能源的开发和利用上。要利用好氢能源。摆在人们面前的问题是如何把氢储存、运输和利用。关键词：氢能源、储氢材料、合金储氢材料、氢能源的可持续利用前言：一、调研背景：人类社会的进步与发展，生活的现代化，不乏伴随着地球上资源的开发利用，煤、天然气、石油三大化石燃料资源的日益消耗，也面临枯竭。世界各国的科学家、专家将其资深的目光投向其他新能源，而作为最优化的二次能源氢，得到了它们的青睐，渐入人们的视野。但问题也随之而来，氢能源的制备技术、贮存方式、运输方式、利用等还不够成熟，而这些技术将面临严峻的考验。试想，如若要使氢能源普及使用，就必须克服其制备、贮存与运输。于是，我们小组便对此做出了较为深入的调研。二、调研目的：1、探寻氢能源在其制备、贮存以及运输上等存在的种种问题。2、通过氢能源在以上方面所存在的问题，寻找合理化的方法解决诸如此类的问题，使氢能源安全、便捷、便宜的走入人们的生活。3、通过此次课题调研，培养我们的科学探索研究精神、对新材料的探索流程、知识体系的构建、团队合作意识、严谨的思维、认真细心的学习态度等。三、调研时间：2012年11月1日——2012年11月26日四、调研方法：1、本课题采用在有权威的化学资料库进行氢能源相关资料的搜集、分类与整理。（采集者：李雪菲、余春娇）2、整理好的资料进行PPT的精心制作。（制作者：张彬、伏柏达、王成）3、氢能源资料、PPT的审核。（审核者：伏柏达）4、课堂PPT的讲解。（主讲者：王成）5、课堂讲解评估表的评价填写。（填表者：罗民老师、10级材料班全体同学）6、课题评估表的分析及课题调研讨论。（讨论者：全体组员）7、课题调研报告的总结。（总结人：伏柏达）正文：经过组内分工，各位组员经过精心认真的调研，各自较为出色的完成任务。最终，进过小组讨论整理，于是我们得到较完善的可信度较高的资料。也发现了氢能源在制备、贮存、运输和利用上存在的种种问题。现就其具体作出如下汇报：氢能源的制备1、水电解制氢：利用水在通电的条件下分解产生H2和O2。化学方程式：2H2O→2H2↑+O2↑。该法制得的H2纯度比较高。2、副产氢气：回收的焦炉煤气中含有60%左右的氢气，石油裂解气经深冷分离也可得到纯度较高的氢气，它们是重要的工业氢源，可直接用作制氢的氢源，或经提纯后用作高纯的氢源。3、由煤制氢：先将煤或焦炭等固体在高温下与空气和水蒸气作用，生成氢煤气，用脱硫剂脱除硫化氢，在经过一系列的处理，最终可制得氢。4、由气态烃和轻油制氢：原料多为天然气，常采用蒸汽转化法和部分氧化法。（1）蒸汽转化法：在高温和镍催化剂作用下，烃类原料和水蒸气进行转化反应，生成H2、CO、和CO2。如CH4表示如下：CH4+H2O→CO+3H2；CH4+2H2O→CO2+4H2O；CO+H2O→CO2+H2。（2）部分氧化法：2CH4+O2→2CO+4H2。以上两种方法均存有缺点，原料自身存热，原料本身便可作为燃料应用，在制备成氢气而利用，从原料、利用价值等方面均不划算。氢能源的贮存在常温、常压下，氢是以气态存在。工业用的氢气多储于钢瓶里，使用不便，并有一定的危险，无法作为能源而大量、广泛地使用。以液态氢气的形式来储存氢气是解决问题的一个新思路，但是氢气的液化温度很低，达到了-253℃，实际困难太大，经济投入过大，是行不通的。为了解决这个难点，诸多科学家将苗头转向其他的储氢方式，是否，活性炭、无机化合物、有机液体氢化物、合金化合物也可以储氢呢？通过大量研究探索，终于人们发现活性炭、无机化合物、有机液体氢化物、合金化合物也可以储氢。于是学来越多的科学家、专家对储氢问题的兴趣逐渐提高。储氢材料的应用得到了迅速的发展。小组讨论，对活性炭、无机化合物、有机液体氢化物、合金化合物四种储氢材料的储氢机理、优异性作出汇报：1、活性炭储氢：依靠自身强大的表面吸附性，可依靠其吸附性储存大量的氢能源。如：富勒烯C60，其表面H2的吸附量可达5％-10％(质量分数)。该法储氢的优缺点在于活性炭原料易得，吸附储氢和放氢操作都比较简单，未来有望成为新一代储氢材料。2、无机化合物储氢：某些无机化合物和氢气发生化学反应可储氢，然后在一定条件下分解可放氢。如：以活性炭作载体，在Pd或PdO的催化作用下，以KHCO3或NaHCO3作为储氢剂，储氢量约为2％(质量分数)。该法储氢的优缺点是原料易得、储存方便、安全性好，但储氢量比较小，催化剂价格较贵。3、有机液体氢化物储氢：借助储氢载体（苯与甲苯）与H2发生可逆反应来实现，包括催化加氢反应和催化脱氢反应。如：环己烷和甲基环己烷与H2发生化学反应进行氢能源的储存。环己烷和甲基环己烷的理论储氢量分别为7.19％和6.18％(质量分数)，比高压储氢和金属氢化物储氢的实际量都大。该法储氢的有缺点是储氢量大，储氢载体可循环使用，其储存和运输都很安全方便，但催化加氢和催化脱氢装置和投资费用较大，储氢操作比较复杂。4、合金化合物储氢：在一定温度和氢气压力下能多次吸收、储存和释放氢气的合金被称为储氢合金。该类储氢材料主要依靠合金晶体结构本身存在四面体、八面体间隙，致使氢原子容易进入这些间隙，从而达到储氢的目的，大多数金属氢化物储氢量在1％-4％(质量分数)。如：TiH2、ZrH1.9、PrH2.8、Ti1.4CoH、LaNi5H、MmNi4.5H6.6等。该法储氢的优缺点是储存量大，释放氢容易，能量密度高，所需费用明显低于深冷液化储气和高压储氢，原料易得，安全可靠。储氢合金已成为各国都积极研发的一种很有前途的储氢方法。经过我小组研究讨论得出，合金储氢材料在未来的应用将非常广泛，很有前途，故我小组一致同意决定对合金储氢材料进行较为全面、透彻的分析讨论。合金储氢材料：一、储氢合金材料主要有：稀土系列、钛合金系列、镁镍系列等。二、合金储氢材料储氢必须具备以下要求：（1）储氢量大，能量密度高；（2）吸氢和放氢速度快；（3）氢化物生成热小；（4）分解压适中：（5）容易活化；（6）化学稳定性好；（7）在储运中安全、无害；（8）原料来源广、成本价廉。三、合金储氢材料具体介绍：1、稀土系储氢合金：如：LaNi5是稀土系储氢合金的典型代表，由荷兰Philip实验室于1969年首先研制。LaNi5在室温下可与一定压力的氢气反应形成氢化物，如下式所示：LaNi5+3H2→LaNi5H6LaNi5具有优良的储氢性能，块状LaNi5合金储氢量约1.4％(质量分数)，储氢量大，分解压适中平坦，活化容易，具有良好的动力学特性和抗杂质气体中毒性。但LaNi5成本高，大规模应用受限，因此发展置换La和Ni的多元合金：LaNi5-xMx(M＝Al、Mn、Cr、Fe、Co、Cu等)和R0.2La0.8Ni5(R＝Y、Gd、Nd、Th等)。用富Ce混合稀土(Mm)代替La可研制廉价的MmNi5储氢合金，在MmNi5基础上开发多元合金，如MmNi1-yBy(B=Al、Cu、Fe、Mn、Ga、Sn、Cr等)系列，不仅保持LaNi5的优良特性，而且在储氢量和动力学特性方面优于LaNi5，价格仅为纯La的1/5。注：Mm是一种以一系列稀土族Co、Ni等为主的混合物金属。2、钛系储氢合金：如：TiFe合金。TiFe具有优良储氢特性，吸氢量约1.75％(质量分数)，室温下释氢压力约为0.1MPa。价格较低，具有很大实用价值。但TiFe活化困难，须在450℃和5MPa压力下进行活化，抗毒性弱(特别是O2)，反复吸释氢后性能下降。为改善TiFe合金储氢特性，可用过渡元素(M)置换部分铁形成TiFe1-yMy(M=Cr、Mn、Mo、Co、Ni等)。TiFe0.8Mn0.2可在室温3MPa氢压下活化，生成TiFe0.8Mn0.2H1.05氢化物，储氢量达到1.9wt％。3、镁系储氢合金：如：Mg2Ni合金，在300-400℃和较高氢压下，Mg2Ni与氢反应生成Mg2NiH4。Mg2Ni+2H2→Mg2NiH4含氢量为3.65wt％，理论储氢量可达6%，但其稳定性强，释氢困难。用Ca和Al取代部分Mg形成Mg2-xMxNi，氢比物离解速度比Mg2Ni增大40％以上，活化容易，具有良好的储氢性能，性质稳定。或利用过渡元素(M)置换Mg2Ni中的部分Ni，形成Mg2Ni1-xMx合金(M＝V、Cr、Mn、Fe、Zn等)，也可改善吸收、释放氢的速度，具有很实用的价值。四、储氢合金材料的应用1、储氢合金可分离氢气。混合气体流过储氢合金分离床，氢被吸收形成金属氢化物，杂质排出；加热金属氢化物，得到回收氢气。反复提纯可获得高纯氢气，2、每年大量含氢尾气放空(仅合成氨工业全国每年放空尾气数十亿m3，含有50％-60%的氢气)，回收利用可提供大量廉价氢气，得到巨大的能源补充。3、某些储氢合金的氢化物同氘、氚化物相比，同一温度下吸释氘氚的热力学和动力学特性有较大差别，可用于氢同位素的分离。4、TiNi合金吸收D2的速率为H2的1/10，将含7%D2的H2导入到TiNi合金中，每通过一次可使D2浓缩50%，通过多次压缩和吸收，氘的浓度可迅速提高，同时回收大量高纯H2。5、氢化物热泵：以氢气为工作介质，储氢合金为能量转换材料，相同温度下分解压不同的两种氢化物组成热力学循环系统，以它们的平衡压差驱动氢气流动，使两种氢化物分别处于吸氢(放热)和放氢(吸热)状态，达到升温、增热或制冷目的。6、德国用LaNi5/Ti0.9Zr0.1CrMn合金获得-25℃低温，日本用MmNiMnAl/MmNiMnCo制备制冷系统，连续获得-20℃低温，制冷功率为900-1000W。7、储氢合金电极替代NiCd电池中的Cd负极，组成镍-氢化物电池，不但具有高能量密度，而且耐过充，放电能力强，无重金属Cd对人体和环境的危害等应用。氢能源的包装及运输1、氢能源的包装：氢气拖车、钢瓶包装2、氢能源的运输方式：气态氢能源贮运、液态氢能源贮运、合金氢化物贮运、微球贮运。据相关资料证实，目前，前三种贮运方式已经在应用，最后的微球贮运方式还有待进一步研究探索。氢能源的应用1、燃烧氢能源发电：利用H2和O2燃烧，组成氢氧发电机组，这种机组是火箭型内燃发动机配以发电机。2、氢燃料电池：氢燃料电池技术一直被认为是利用氢能解决人类能源危机的终极方案。氢燃料电池以被广泛用于各类轿车。3、航天领域利用氢能源上天：1928年，德国齐柏林公司利用氢的巨大浮力制造设计了世界上第一艘“LZ-127齐柏林”号飞艇，实现了飞度大西洋的航程。本世纪50年代，美国利用液氢作超音速和亚超音速飞机的燃料，使B57双引擎轰炸机改装了氢发动机，实现了氢能飞上天。4、石油化工原料：可利用H2制备重要的化工原料，如：氨气、甲苯、盐酸等；其次，是用于石油炼制和石油化工的各种工艺过程，如加氢裂化、催化加氢、加氢精制、加氢脱硫、苯加氢制环己烷、萘加氢制十氢萘等。5、气象方面的应用：在气象部门可用于气象探测氢气球的填充等。6、工业冶炼金属：工业上常利用氢气的还原性进行某些金属的冶炼。7、氢气还用于动植物油脂的硬化，如制造人造奶油、脆化奶油、润滑脂等。8、氢能源是最佳的燃料，燃烧热值高，产物无污染等种种应用。氢能源的发展前景1、中国氢能源的发展前景氢能源的发展前景非常乐观。现在中国的氢能在国际