储氢材料

1第五章储氢材料大连理工大学化工学院第一节引子氢能源系统是作为一种储量丰富、无公害的能源替代品而倍受重视。如果以海水制氢作为燃料，从原理上讲，燃烧后只能生成水，这对环境保护极为有利；氢能是未来理想清洁能源1、氢有高的燃烧热值2H2+O22H2OQ=120900kJ/kgC5H12+8O25CO2+6H2OQ＝45370kJ/kg2、氢来源于水，取之不尽；3、氢的燃烧反应容易发生；4、氢燃烧产物是水，无污染。如果用太阳能以海水制氢，则可实现无公害能源系统。此外，氢还可以作为贮存其他能源的媒体，通过利用过剩电力进行电解制氢，实现能源贮存。在以氢作为能源媒体的氢能体系中，氢的贮存与运输是实际应用中的关键。贮氢材料就是作为氢的贮存与运输媒介而成为当前材料研究的一个热点项目。贮氢材料(Hydrogenstoragematerials)是在通常条件下能可逆地大量吸收和放出氢气的特种金属材料。贮氢材料的作用相当于贮氢容器。贮氢材料在室温和常压条件下能迅速吸氢(H2)并反应生成氢化物，使氢以金属氢化物的形式贮存起来，在需要的时候，适当加温或减小压力使这些贮存着的氢释放出来以供使用。贮氢材料中，氢密度极高，下表列出几种金属氢化物中氢贮量及其他氢形态中氢密度值。(1)相对氢气瓶重量从表中可知，金属氢化物的氢密度与液态氢、固态氢的相当，约是氢气的1000倍。另外，一般贮氢材料中，氢分解压较低，所以用金属氢化物贮氢时并不必用101.3MPa(1000atm)的耐压钢瓶。可见，利用金属氢化物贮存氢从容积来看是极为有利的。但从氢所占的质量分数来看，仍比液态氢、固态氢低很多，尚需克服很大困难，尤其体现在对汽车工业的应用上。当今汽车工业给环境带来恶劣的影响，因此汽车工业一直期望用以氢为能源的燃料电池驱动的环境友好型汽车来替代。对于以氢为能源的燃料电池驱动汽车来说，不仅要求贮氢系统的氢密度高，而且要求氢所占贮氢系统的质量分数要高(估算须达到(H)=6.5％)，当前的金属氢化物贮氢技术还不能满足此要求。因此，高容量贮氢系统是贮氢材料研究中长期探求的目标。贮氢材料的发现和应用研究始于20世纪60年代，1960年发现镁(Mg)能形成MgH2，其吸氢量高达(H)＝7.6％，但反应速度慢。1964年，研制出Mg2Ni，其吸氢量为(H)=3.6％，能在室温下吸氢和放氢，250℃时放氢压力约0.1MPa，成为最早具有应用价值的贮氢材料。同年在研究稀土化合物时发现了LaNi5具有优异的吸氢特性;1974年又发现了TiFe贮氢材料。LaNi5和TiFe是目前性能最好的贮氢材料。第二节贮氢原理1、金属与氢气生成金属氢化物的反应2、金属氢化物的能量贮存、转换3、金属氢化物的相平衡和热力学金属和氢的化合物统称为金属氢化物。元素周期表中所有金属元素的氢化物在20世纪60年代以前就已被探明，并被汇总于专著中。1、金属与氢气生成金属氢化物的反应元素周期表中IA族元素(碱金属)和IIA族元素(碱土金属)分别与氢形成MH、MH2化学比例成分的金属氢化物。金属氢化物是白色或接近白色的粉末，是稳定的化合物。这些化合物称为盐状氢化物或离子键型氢化物，氢以H-离子状态存在。从IB族到IVB族的金属氢化物，因是共价键性很强的化合物，称为共价键型氢化物，例如:SiH4、CuH、AsH3等。这些化合物多数是低沸点的挥发性化合物，不能作贮氢材料用。从IIIA族到VIII族的金属氢化物，称为金属键型氢化物，它们是黑色粉末。其中，IIIA族、IVA族元素形成的氢化物比较稳定(生成焓为负、数值大，平衡分解氢压低)，如LaH3、TiH2氢化物。VA族元素也和气体氢直接发生反应，生成VH2、NbH2氢化物。在1atm下，这些氢化物的温度在常温附近，它们能够是在常温下贮藏释放氢的材料。VIA族到VIII族的金属中，除Pd外，都不形成稳定的氢化物，氢以H+形成固溶体。各种金属与氢反应性质的不同可以从氢的溶解热数据中反映出来。下表是氢在各种金属中的溶解热H数据。氢在各种金属中的溶解热H(kcal/mol)可见IA-IVA族金属的氢的溶解热是负(放热)的很大的值，称为吸收氢的元素；VIA--VIII族金属显示出正(吸热)的值或很小的负值，称为非吸收氢的元素；VA族金属刚好显示出两者中间的数值。2、金属氢化物的能量贮存、转换金属氢化物可以作为能量贮存、转换材料，其原理是：金属吸留氢形成金属氢化物，然后对该金属氢化物加热，并把它放置在比其平衡压低的氢压力环境中使其放出吸留的氢，其反应式如下：式中，M---金属；MHn---金属氢化物P---氢压力；H---反应的焓变化),()(22pHMn气固放氢,吸热吸氢,放热HMHnn)(2固反应进行的方向取决于温度和氢压力。实际上，上式表示反应过程具有化学能(氢)、热能(反应热)、机械能(平衡氢气压力)的贮存和相互转换功能。),()(22pHMn气固放氢,吸热吸氢,放热HMHnn)(2固这种能量的贮存和相互转换功能可用于氢或热的贮存或运输、热泵、冷气暖气设备、化学压缩机、化学发动机、氢的同位素分离、氢提纯和氢汽车等。),()(22pHMn气固放氢,吸热吸氢,放热HMHnn)(2固由上面的反应式可知，贮氢材料最佳特性是在实际使用的温度、压力范围内，以实际使用的速度，可逆地完成氢的贮藏释放。实际使用的温度、压力范围是根据具体情况而确定的。一般是从常温到400℃，从常压到100atm左右，特别是以具有常温常压附近的工作的材料作为主要探讨的对象。具有常温常压附近工作的纯金属的氢化物里，显示出贮氢材料性能的有钒的氢化物(VH2)和镁的氢化物(MgH2)。但是MgH2在纯金属中反应速度很慢，没有实用价值。许多金属合金与氢形成合金氢化物的反应具有下式所示的可逆反应。),()(22pHMn气固放氢,吸热吸氢,放热HMHnn)(2固贮氢合金材料都服从的经验法则是“贮氢合金是氢的吸收元素(IA—IVA族金属)和氢的非吸收元素(VIA-VIII族金属)所形成的合金”。如在LaNi5里La是前者，Ni是后者；在FeTi里Ti是前者，Fe是后者。即，合金氢化物的性质介于其组元纯金属的氢化物的性质之间。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。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成Mg2NiH4氢化物，而MgNi2在100atm左右的压力下也不和氢发生反应。另外，作为La和Ni的金属间化合物，除LaNi5外，还有LaNi，LaNi2等。LaNi，LaNi2也能和氢发生反应，但生成的La的氢化物非常稳定，不释放氢，反应的可逆性消失了。因此，作为贮氢材料的另一个重要条件是要存在与合金相的金属成分一样的氢化物相。例如LaNi5H6相对于LaNi5，Mg2NiH4相对于Mg2Ni那样。总之，金属(合金)氢化物能否作为能量贮存、转换材料取决于氢在金属(合金)中吸收和释放的可逆反应是否可行。氢在金属合金中的吸收和释放又取决于金属合金和氢的相平衡关系。影响相平衡的因素为温度、压力和组成成分，这些参数就可用于控制氢的吸收和释放过程。第三节储氢材料应具备的条件①易活化，氢的吸储量大；②用于储氢时生成热尽量小，而用于蓄热时生成热尽量大；③在一个很宽的组成范围内，应具有稳定合适的平衡分解压(室温分解压2~3atm)；④氢吸收和分解过程中的平衡压差(滞后)小；⑤氢的俘获和释放速度快；⑥金属氢化物的有效热导率大；⑦在反复吸、放氢的循环过程中，合金的粉化小，性能稳定性好；⑧对不纯物如氧、氮、CO、CO2、水分等的耐中毒能力强；⑨储氢材料价廉。第四节影响储氢材料吸储能力的因素①活化处理制造储氢材料时，表面被氧化物覆盖及吸附着水和气体等会影响氢化反应，采用加热减压脱气或高压加氢处理。②耐久性和中毒耐久性是指储氢材料反复吸储的性质。向储氢材料供给新的氢气时带入的不纯物使吸储氢的能力下降称为“中毒”。③粉末化在吸储和释放氢的过程中，储氢材料反复膨胀和收缩，从而导致出现粉末现象。④储氢材料的导热性在反复吸储和释放氢的过程中，形成微粉层使导热性能很差，氢的可逆反应的热效应要求将其及时导出。⑤滞后现象和坪域用于热泵系统的储氢材料，滞后现象应小，坪域宜宽。⑥安全性⑦成本第五节储氢材料的种类①镁系合金②稀土系合金③钛系合金④锆系合金①镁系合金镁在地壳中藏量丰富。MgH2是唯一一种可供工业利用的二元化合物，价格便宜，而且具有最大的储氢量。MgH2缺点：释放温度高且速度慢，抗腐蚀能力差。新开发的镁系吸氢合金Mg2Ni1-xMx(M=V，Cr，Mn，Fe，Co)和Mg2-xMxNi(Al，Ca)比MgH2的性能好。镁系吸氢合金的潜在应用在于可有效利用250～400℃的工业废热，工业废热提供氢化物分解所需的热量。目前，Mg2Ni系合金在二次电池负极方面的应用已成为一个重要的研究方向。②稀土系合金人们很早就发现，稀土金属与氢气反应生成稀土氢化物REH2，这种氢化物加热到1000℃以上才会分解。而在稀土金属中加入某些第二种金属形成合金后，在较低温度下也可吸放氢气，通常将这种合金称为稀土贮氢合金。在已开发的一系列贮氢材料中，稀土系贮氢材料性能最佳，应用也最为广泛。稀土系贮氢材料的应用领域已扩大到能源、化工、电子、宇航、军事及民用各个方面。例如，用于化学蓄热和化学热泵的稀土贮氢合金可以将工厂的废热等低质热能回收、升温，从而开辟出了人类有效利用各种能源的新途径。利用稀土贮氢材料释放氢气时产生的压力，可以用作热驱动的动力；采用稀土贮氢合金可以实现体积小、重量轻、输出功率大，可用于制动器升降装置和温度传感器。典型的贮氢合金LaNi5是1969年荷兰菲利浦公司发现的，从而引发了人们对稀土系储氢材料的研究。以LaNi5为代表的稀土储氢合金被认为是所有储氢合金中应用性能最好的一类。优点：初期氢化容易，反应速度快，吸-放氢性能优良。20℃时氢分解压仅几个大气压。缺点：镧价格高，循环退化严重，易粉化。采用混合稀土(La，Ce，Sm)Mm替代La可有效降低成本，但氢分解压升高，滞后压差大，给使用带来困难。采用第三组分元素M(Al，Cu，Fe，Mn,Ga，In，Sn，B，Pt，Pd，Co，Cr，Ag，Ir)替代部分Ni是改善LaNi5和MmNi5储氢性能的重要方法。③钛系合金Ti-Ni：TiNi，Ti2Ni，TiNi-Ti2Ni，Ti1-yZryNix，TiNi-Zr7Ni10，TiNiMmTi-Fe：价廉，储氢量大，室温氢分解压只有几个大气压，很合乎使用要求。但是活化困难，易中毒。Ti-Mn：粉化严重，中毒再生性差。添加少量其它元素(Zr,Co,Cr,V)可进一步改善其性能。其中，TiMn1.5Si0.1，Ti0.9Zr0.2Mn1.40Cr0.4具有很好的储氢性能。另外，四、五元合金也是发展的方向。④锆系合金锆系合金具有吸氢量高，反应速度快，易活化，无滞后效应等优点。但是，氢化物生成热大，吸放氢平台压力低，价贵，限制了它的应用。AB2→ZrV2，ZrCr2，ZrMn2储氢量比AB5型合金大，平衡分解压低。Zr(Mn，Ti，Fe)2和Zr(Mn，Co，Al)2合金适合于作热泵材料。Ti17Zr16Ni39V22Cr7已成功用于镍氢电池，有宽广的元素替代容限，设计不同的合金成分用来满足高容量，高放电率，长寿命，低成本不同的要求。第六节贮氢材料的应用氢与金属间化合物在生成金属氢化物和释放氢的过程中，可以产生以下功能：(1)有热的吸收和释放现象，氢可作为一种化学能加以利用；(2)热的释放与吸收也可作为一种热力功能加以利用；(3)在一密封容器中，金属氢化物所释放出氢的压力与温度有一定关系，利用这种压力可做机械功；(4)金属氢化物在吸收氢过程中还伴随着电化学性能的变化，可直接产生电能，这就是电化学功能。充分利用这化学、机械、热、电四大功能，可以开发新产品；同时，吸、放氢多次后，金属氢化物会自粉碎成细粉，表面性能非常活泼，用作催化剂很有潜力，这种表面效应功能也很有开发前途。金属氢化物