储氢材料简介

储氢材料目录1234能源现状储氢材料的简介储氢材料的研发应用与总结一、能源现状煤18世纪末，工业革命开始，煤被广泛地用作工业燃料。石油1859年美国宾夕法尼亚用钻井方法打出世界第一口油井。石油取代煤炭成为世界主要能源，被称为“黑金”、“工业的血液”、经济增长的“发动机”、“发光的水”、“魔鬼的汗珠”。天然气1925，美国铺设第一条天然气长输管道——现代工业利用的标志。化石燃料的发展史一、能源现状化石燃料的优点与缺点优点：浓缩能源；易储存；易运输。化石燃料缺点：不可再生资源；破坏环境；军事冲突。一、能源现状石油——不可再生资源•~80%能量来源为化石燃料•《环境科学技术期刊》——化石燃料可能在2050年就会枯竭。可再生能源到2140年才能在全世界广泛应用。•国际能源署(IEA)——石油价格在2015年超过每桶$100，2035年超过$200。一、能源现状石油储量分布不均~60%＜5%一、能源现状世界能源消耗不均1990-2020(QuadrillionBtu)地区/国家199019972020美国84.094.2120.9西欧59.964.078.4日本18.121.325.4中国27.036.797.3前苏联61.040.857.3总量346.7379.9607.7一、能源现状•节能技术迫在眉睫•发展新能源势在必行新能源——太阳能、风能、核能、地热能、海洋能、生物能、氢能等。二、储氢材料的简介氢能氢能——利用氢燃烧时放出的热量作为能源。氢能优势：(1)氢具有很高的燃烧值；单位质量的氢气所含的化学能（142MJ/kg）至少是其他化学燃料的三倍（例如，等质量的液体碳氢化合物是47MJ/kg）。(2)氢在氧气中燃烧只产生水，预计不会对环境产生负面影响，是一种绿色的能源。二、储氢材料的简介(3)氢是地球上最丰富的元素之一。当然，以分子氢形式存在的H仅占总量的不到1%，绝大部分是结合在水和烃类中。要实现氢能源的大规模普及，首先要解决氢气的制取问题，而制取氢气是要消耗化学能的。目前工业上主要以煤或天然气为原料制取氢气，全球产量达每年5×1010kg，但以化石燃料制取新能源显然有违我们的初衷，这与燃烧化石燃料无异。最清洁的氢气制取方法是在催化剂（如TiO2）存在下利用太阳能使水光解：这种方法真正实现了能量的持续转化（化学能直接来自太阳能）和物质的循环利用，且没有污染，是未来大规模产氢的理想途径。二、储氢材料的简介Figure1showsanidealhydrogencycle.wherehydrogenisproducedbysplittingwaterthroughelectrolysiswithsolarenergy,storingitreversiblyinasolid,andusingitondemandinafuelcelltoproduceenergy.二、储氢材料的简介(4)氢的燃烧能以高效和可控的方式进行。目前液氢已用作火箭燃料；液氢、液氨或储氢合金贮存的氢气已用作汽车燃料。但由于氢的生产成本高于化石燃料，推广使用尚有困难。二、储氢材料的简介氢能源-----国际对比二、储氢材料的简介氢能的使用存在的困难能量转化储存制备关键环节二、储氢材料的简介储氢方式——对储氢材料要求可逆性好适应燃料电池的工作条件储氢量大theDepartmentofEnergy‘sstoragesystem提出的目标：1、gravimetricandvolumetricdensitiesof7.5wt%and70g/L；2、anoperatingtemperaturebetween-40and85℃；3、aminimumdeliverypressureof12bar；4、afuelingtimelessthan3min。二、储氢材料的简介氢能系统化石能源太阳能风能海洋能地热能原子能煤石油天然气水生物质副产氢蒸汽转化法微生物法汽化热化学循环电解法煤气化法部分氧化法氢加压精制压缩碳材氢化物冷冻有机液玻璃微球管道船舶车辆氢化物箱贮槽化学工业航空航天电子工业冶金工业燃料电池发动机家庭民用能源制氢原料制氢方法储氢系统输送系统氢的利用目前的一些储氢方法二、储氢材料的简介(a)高压储氢（气态储氢）优点：简单，常用。缺点：体积能量密度低；对容器耐压性能高；不安全；储氢方式比较二、储氢材料的简介储氢方式比较(b)液态储氢优点：体积能量密度高；缺点：液化耗能(4~10kw·h/kg)；蒸发损失；对储槽绝热材料的要求高。二、储氢材料的简介•固态储氢的优势：1)体积储氢容量高2)无需高压及隔热容器3)安全性好，无爆炸危险4)可得到高纯氢，提高氢的附加值储氢方式比较(c)固态储氢二、储氢材料的简介储氢方式比较体积比较：二、储氢材料的简介Threemainlydifferentwaysthathydrogencanbeadsorbedonamaterialphysisorptionchemisorptionquasi-molecularbonding二、储氢材料的简介储氢材料的分类---intermsofthestrengthofhydrogenbonding(1)物理吸附储氢，sorbentmaterialswherehydrogenisphysisorbedandweaklyboundtothesubstrate;(2)复合氢化物储氢，complexhydrideswherehydrogenisheldinstrongcovalentbonds;theseconsistoflightmetalhydridesandchemicalhydrides;(3)纳米结构材料储氢，nanostructuredmaterialswherehydrogenisheldbyaninteractionthatisintermediatebetweenphysisorptionandchemisorption.二、储氢材料的简介(1)物理吸附储氢（SorbentMaterials）Ⅰ碳纳米管；1997.3单壁碳纳米管中的储氢——《nature》1999.7碱掺杂的碳纳米管在常压常温下的高吸氢量——《science》1999.11室温下在单壁碳纳米管上的储氢——《science》5wt%~20wt%2010.2回顾碳纳米管储氢——《carbon》1998~2010，CNTS储氢量逐年下降物理吸附达到的储氢密度有限，＜1wt%Ⅱ沸石；Ⅲ金属有机骨架化合物；Ⅳ玻璃微球；直径25~500um，球壁厚度1um，15%~42%。二、储氢材料的简介(2)复合氢化物储氢（SorbentMaterials）优点：(AlH4-)、(NH2-)、(BH4-)含氢量高很有潜力。NaAlH4－7.47wt.%LiAlH4－10.62wt.%KBH4－7.47wt.%NaBH4－11.66wt.%LiBH4－18.51wt.%NH3BH3－12.9wt.%缺点：放氢温度高400~700K二、储氢材料的简介(3)纳米结构材料储氢（NanostructuredMaterials）1、Researchonnanostructuredmaterialshasclearlydemonstratedthatreducedsize,lowdimensionality,andlowcoordinationcanleadtopropertiesthatareverydifferentfromthecorrespondingbulkmaterials2、thephysicsandchemistryofmatterattheNanoscalecanbefundamentallyaltered二、储氢材料的简介三、储氢材料的研发镁基储氢材料多孔聚合物储氢材料储氢材料三、储氢材料的研发3.1镁基储氢材料金属储氢材料的储氢原理：在一定温度和氢气压力条件下，储氢金属或合金与氢反应生成金属氢化物，并释放出热量，当提高温度或降低氢压时，氢化物释放出氢气，其吸放氢过程可表示为:式中MH、为氢的固溶体相(a相)，MHy为氢化物相(p相)，△H。为氢化物生成焙或氢化反应热。三、储氢材料的研发金属或合金一氢体系吸放氢作用可用下图的气固反应过程来表示。三、储氢材料的研发镁基材料的优势：(1)镁在地球上的储量丰富，储氢容量高（7.6wt%）;(2)价格低廉，被认为是一种很有发展前途的储氢材料;(3)镁可与氢气直接反应，在300-400℃和较高的氢压下，反应生成MgH2。镁基材料的不足：镁基氢化物的热力学稳定性较高，可逆储氢温度过高，吸放氢动力学性能较差，给其实际应用带来了阻碍。三、储氢材料的研发为改善镁基材料的储氢性能，各国学者做了大量的研究工作，其研究重点主要集中在四个方面:(l)机械球磨合金化改性，是改善镁基合金性能的常用方法；(2)元素(部分)取代改性，通过其它元素的(部分)取代来降低脱氢分解温度；(3)添加剂改性，通过添加金属单质、金属氧化物或卤化物、非金属/有机溶剂改性等以改善其吸放氢性能；(4)与储氢合金复合改性，复合改性后可使合金氢化物稳定性降低。三、储氢材料的研发3.1.1添加碳纳米管镁基材料的储氢性能碳纳米管：碳纳米管优势：1、良好的导热性和热稳定性；2、具有一定的吸氢性能。三、储氢材料的研发添加碳纳米管镁基材料的储氢性能实验方法：球磨法（以氢气作为保护气体）1）球磨过程：三、储氢材料的研发三、储氢材料的研发2）充放氢过程：三、储氢材料的研发3）碳纳米管含量对镁基储氢材料的影响加碳纳米管的镁基储氢材料具有良好的吸放氢性能，储氢容量大，吸放氢速度快，在较低的温度下，可以进行吸氢与放氢过程。结论碳纳米管由于其本身的良好导热性能，对氢分子敏感，具有一定的吸附氢气能力，是一种很有效的镁基储氢材料添加剂，可以改善储氢材料的吸放性能，并且还可以降低制备镁基储氢材料过程的球磨强度。三、储氢材料的研发三、储氢材料的研发Schematicofhydrogenstoragecompositematerial:high-capacityMgNCsareencapsulatedbyaselectivelygas-permeablepolymer.Air-stablemagnesiumnanocompositesproviderapidandhigh-capacityhydrogenstoragewithoutusingheavy-metalcatalysts三、储氢材料的研发三、储氢材料的研发三、储氢材料的研发三、储氢材料的研发developedanew,simplemethodtosynthesizeair-stablecrystallineMgNCs/PMMAcompositesbyen-capsulationinapolymerwithselectivegaspermeability,protectingtheNCsfromO2andH2O.结论Thecompositesshowednooxidationaftertwoweeksofairexposure.Rapiduptake(30minat200℃)ofhydrogenwasachievedwithahighcapacity(～6wt%inMg,～4%overall)intheabsenceofheavy-metalcatalysts,demonstratingavolumetriccapacity(55gl1)greaterthanthatofcompressedH2gas.三、储氢材料的研发三、储氢材料的研发3.2多孔聚合物储氢材料多孔聚合物特点：1、密度很小，测得的晶体密度0.21~0.41g/cm3，是目前所报道的储氢材料母体密度最小品种；2、具有多孔结构，而且这些微孔具有统一的大小和形状；具有很大的比表面积，已报道合成的此类物质中平均表面积大于2000m2/g，比含碳类多孔材料的表面积还要大；3、可以在室温、安全的压力（小于2MPa）下快速可逆地吸收大量的氢气，在室温和1