哪些元素适合做贮氢合金

❶ 储氢材料概述

Fuel Cell R&D Center
Seminar I
Dalian Institute of Chemical Physics
储氢材料概述
报告人: 赵 平
指导教师: 张华民 研究员
Fuel cell R&D center
Dalian Institute of Chemical Physics
Chinese Academy of Science
2004年4月
Seminar I
一,绪言
氢-二十一世纪
的绿色能源
1.1能源危机与环境问题
化石能源的有限性与人类需求的无限性-石油,煤炭等主要能源将在未来数十年至数百年内枯竭!!!(科技日报,2004年2月25日,第二版)
化石能源的使用正在给地球造成巨大的生态灾难-温室效应,酸雨等严重威胁地球动植物的生存!!!
人类的出路何在 -新能源研究势在必行!!!
1.2 氢能开发,大势所趋
氢是自然界中最普遍的元素,资源无穷无尽-不存在枯竭问题
氢的热值高,燃烧产物是水-零排放,无污染 ,可循环利用
氢能的利用途径多-燃烧放热或电化学发电
氢的储运方式多-气体,液体,固体或化合物
1.3 实现氢能经济的关键技术
廉价而又高效的制氢技术
安全高效的储氢技术-开发新型高效的储氢材料和安全的储氢技术是当务之急
车用氢气存储系统目标:
IEA: 质量储氢容量>5%; 体积容量>50kg(H2)/m3
DOE : >6.5%, > 62kg(H2)/m3
二,不同储氢方式的比较
气态储氢:
能量密度低
不太安全
液化储氢:
能耗高
对储罐绝热性能要求高
二,不同储氢方式的比较
固态储氢的优势:
体积储氢容量高
无需高压及隔热容器
安全性好,无爆炸危险
可得到高纯氢,提高氢的附加值
2.1 体积比较
2.2 氢含量比较
三,储氢材料技术现状
3.1 金属氢化物
3.2 配位氢化物
3.3 纳米材料
金属氢化物储氢特点
反应可逆
氢以原子形式储存,固态储氢,安全可靠
较高的储氢体积密度
Abs.
Des.
M + x/2H2
MHx + H
Position for H occupied at HSM
Hydrogen on Tetrahedral Sites
Hydrogen on Octahedral Sites
3.1 金属氢化物储氢
目前研制成功的:
稀土镧镍系
钛铁系
镁系
钛/锆系
稀土镧镍系储氢合金
典型代表:LaNi5 ,荷兰Philips实验室首先研制
特点:
活化容易
平衡压力适中且平坦,吸放氢平衡压差小
抗杂质气体中毒性能好
适合室温操作
经元素部分取代后的MmNi3.55Co0.75Mn0.47Al0.3(Mm混合稀土,主要成分La,Ce,Pr,Nd)广泛用于镍/氢电池
PCT curves of LaNi5 alloy
钛铁系
典型代表:TiFe,美Brookhaven国家实验室首先发明
价格低
室温下可逆储放氢
易被氧化
活化困难
抗杂质气体中毒能力差
实际使用时需对合金进行表面改性处理
PCT curves of TiFe alloy
TiFe(40 ℃)
TiFe alloy
Characteristics:
two hydride phases;
phase (TiFeH1.04) & phase (TiFeH1.95 )
2.13TiFeH0.10 + 1/2H2 → 2.13TiFeH1.04
2.20TiFeH1.04 + 1/2H2 → 2.20TiFeH1.95

镁系
典型代表:Mg2Ni,美Brookhaven国家实验室首先报道
储氢容量高
资源丰富
价格低廉
放氢温度高(250-300℃ )
放氢动力学性能较差
改进方法:机械合金化-加TiFe和CaCu5球磨,或复合
钛/锆系
具有Laves相结构的金属间化合物
原子间隙由四面体构成,间隙多,有利于氢原子的吸附
TiMn1.5H2.5 日本松下(1.8%)
Ti0.90Zr0.1Mn1.4V0.2Cr0.4
活性好
用于:氢汽车储氢,电池负极Ovinic

3.2配位氢化物储氢
碱金属(Li,Na,K)或碱土金属(Mg,Ca)与第三主族元素(B,Al)形成
储氢容量高
再氢化难(LiAlH4在TiCl3, TiCl4等催化下180℃ ,8MPa氢压下获得5%的可逆储放氢容量)
金属配位氢化物的的主要性能
℃
3.3碳纳米管(CNTs)
1991年日本NEC公司Iijima教授发现CNTs
纳米碳管储氢-美学者Dillon1997首开先河
单壁纳米碳管束TEM照片
多壁纳米碳管TEM照片
纳米碳管吸附储氢:
Hydrogen storage capacities of CNTs and LaNi5 for comparison (data deternined by IMR,RT,10MPa)
纳米碳管电化学储氢
开口多壁MoS2纳米管及其循环伏安分析
循环伏安曲线
纳米碳管电化学储氢

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多壁纳米碳管电极循环充放电曲线,经过100充放电后_ 保持最大容量的70%
单壁纳米碳管循环充放电曲线,经过100充放电后 保持最大容量的80%
碳纳米管电化学储氢小结

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纯化处理后多壁纳米碳管最大放电容量为 1157mAh/g,相当于4.1%重量储氢容量.经过100充放电后,其仍保持最大容量的70%.
单壁纳米碳管最大放电容量为503mAh/g,相当于1.84%重量储氢容量.经过100充放电后,其仍保持最大容量的80%.
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纳米材料储氢存在的问题:
世界范围内所测储氢量相差太大:0.01(wt ) %-67 (wt ) %,如何准确测定
储氢机理如何
四,结束语-氢能离我们还有多远
氢能作为最清洁的可再生能源,近10多年来发达国家高度重视,中国近年来也投入巨资进行相关技术开发研究
氢能汽车在发达国家已示范运行,中国也正在筹划引进
氢能汽车商业化的障碍是成本高,高在氢气的储存
液氢和高压气氢不是商业化氢能汽车-安全性和成本
大多数储氢合金自重大,寿命也是个问题;自重低的镁基合金很难常温储放氢,位氢化物的可逆储放氢等需进一步开发研究,
碳材料吸附储氢受到重视,但基础研究不够,能否实用化还是个问号
氢能之路-前途光明,道路曲折!

❷ 贮氢合金的定义

一种能可逆贮存氢气的贮氢合金，其组成是TiaVbCrcAldMe，式中M 为Cu，Fe，Co，Ni，Si，Sn，Mo，W中的至少一种元素或两种元素，1.0≤a≤1.6，0.2≤b ≤1.0，1.0≤c≤1.6，0.01≤d≤0.5，0.01≤e≤0.5。本发明的贮氢合金可以用真空电弧炉及真空中频感应炉熔炼，可以采用真空吸铸的方法浇注。熔炼的合金易活化，最高贮氢容量达4.0wt%，合金适合用作氢气净化器合金和燃料电池氢源合金。
氢能是未来能源最佳选择之一。氢能的利用涉及氢的储存、输运和使用。自20世纪60年代中期发现LaNi5和FeTi等金属间化合物的可逆储氢作用以来，储氢合金及其应用研究得到迅速发展。储氢合金能以金属氢化物的形式吸收氢，是一种安全、经济而有效的储氢方法。金属氢化物不仅具有储氢特性，而且具有将化学能与热能或机械能相互转化的机能，从而能利用反应过程中的焓变开发热能的化学储存与输送，有效利用各种废热形式的低质热源。因此．储氢合金的众多应用己受到人们的待别关注。

❸ 储能设备需要哪些原材料

储能材料，具有能量储存特性的材料。

它不仅能存储能量，并且能使能量转化，以供需用。最常见的储能材料有储氢合金和用于一次电池（即原电池，放电后不能复原使用）、二次电池（即蓄电池，放电后可重新充电复原反复使用）的材料。

常见的一次电池有锌–二氧化锰电池、锌–氧化汞电池、锌–氧化银电池和锂电池等。

常见的二次电池为铅–酸电池、镍–镉电池、镍–锌电池和镍–氢化合物电池、钠–硫电池、锂离子电池等。

储氢合金及其应用

氢是自然界中储量最大的元素，也是一种非常清洁的能源。储氢合金所存储的氢的密度比液态氢大得多（液氢的密度为4.2×1022大气压/厘米3，而LaNi5的氢密度为6.2×1022大气压/厘米3），并且释放氢时所需的能量很小。

储氢合金的工作压力很低，操作简单安全可靠。研发中的储氢合金体系有AB5型混合稀土合金、AB2型Laves相合金、AB型钛铁系合金、A2B型Mg–Ni系合金和钒基固溶体合金等。

储氢合金与气体氢发生反应时生成金属氢化合物，大量的氢以固态形式储存于储氢合金中。

储氢合金的吸氢与放氢，实际上就是金属氢化物的形成与分解。

储氢合金的基本特征是：能可逆地大量吸氢和放氢，伴随着吸（放）氢过程出现放（吸）热效应，对氢能选择性地吸收，吸放氢的平衡压力随温度急剧变化。

储氢合金可用于镍–氢化合物电池、氢的储存和净化、氢同位素分离、氢气回收、热泵、制冷等。

在储能方面储氢合金的应用主要有以下两方面：①镍–金属氢化合物电池材料。这是一种以储氢合金作为负极材料的新型二次电池，其能量密度比镍–镉电池高1.5～2.0倍，且无镉的污染环境问题。所以，作为镍–镉电池的替代电池，已广泛应用作各种便携式电子器具、移动通信、计算机等的电源。歼兆在各种储氢合金中，AB5型混合稀土合金具有优良的性能价格比，作为负极材料广泛应用于镍–金属氢化合物电池。

②氢燃料储存器材料。氢的热值高，易点燃，燃烧时无有害气体和灰渣产生，是理想的环保能源之一。

由于燃油汽车对都市环境造成危害，因而氢燃料汽车的发展备受重视。AB5型混合稀土合金是广泛应用的储氢材料，为提高其性能，对其化学组成和组织结构优化不断地开展着研究。

锂电池与锂离子电池材料

作为一次电池的锂电池，是一种以锂作为负极活性物质的化学电池。由于金属锂的电极电位最负(?3.03伏)，并且锂的密度很小，锂电池具有很高的能量密度，它是高能电池的重要品种。自20世纪70年代以来，以金属锂为负极的各种高比能锂一次电池相继问世，获得了广泛应用。

其中以层状化合物γ·β二氧化锰作正极，以锂作负极和以有机电解液构成的锂电池获得最广泛的应用。它是照相机、电子手表、计算器等各种具有存储功能电子器件或装置的理想电源。此外，还开发出锂–聚氟化碳电池、锂–二氧化硫电池、锂–硫化铜电池、锂–碘电池等。锂离子电池为二次电池，其原理为电池充电时锂离子从正极脱嵌，通过电解质和隔膜，嵌入负极中，反困闹之当电池放电时锂离子又从负极中脱嵌，通过电解质和隔膜，重新嵌入到正极中。

由于锂离子在正负极中有固定的空间和位置，因此，电池有很好的可逆性，其电容量大并且具有长循环寿命和安全性。锂离子电池的正极材料包括氧化钴锂（LiCoO2）、氧化镍锂（LiNiO2）氏尺租、氧化锰锂（LiMn2O4）等材料。而负极材料为碳材料。作为正极材料的导电聚合物的研究也受到重视。电解质的作用为在电池的正负极间形成良好的离子导电通道。

常用的电解质是由有机溶剂和锂盐构成的。

聚合物电解质是目前很重要的研发方向，因它有利于实现电池的小型化。自1990年锂离子电池问世以来发展迅猛，它能满足移动通信、笔记本电脑等对电源小型化、轻量化、工作时间长和对环境无污染的要求。钠–硫电池材料这是一种新型高温固体电解质二次电池，其负极和正极分别为熔融的金属钠和硫，其电解质为β–氧化铝。钠–硫电池的工作温度为300～350℃，理论比能量很高（790瓦·时/千克），充放电循环寿命长(900次)，并且电池所用的原材料丰富，成本低。

此种电池很受重视，目前仍处于研发中，以期用于电动汽车的动力源等。

❹ 用什么材料可以储存氢气

1、合金储氢材料

在一定温度和氢气压力下，能可逆地大量吸收、储存和释放氢气的金属间化合物。

按储氢合金金属组成元素的数目划分，可分为：二元系、三元系和多元系；按储氢合金材料的主要金属元素区分，可分为：稀土系、镁系、钛系、钒基固溶体、锆系等；而组成储氢合金的金属可分为吸氢类(用A表示)和不吸氢类(用B表示)，据此又可将储氢合金分为：AB5型、AB2型、AB型、A2B型。

2、无机物及有机物储氢材料

有机物储氢技术始于 20 世纪 80 年代。有机物储氢是借助不饱和液体有机物与氢的一对可逆反应，即利用催化加氢和脱氢的可逆反应来实现。加氢反应实现氢的储存(化学键合)，脱氢反应实现氢的释放。

3、纳米储氢材料

纳米材料由于具有量子尺寸效应、小尺寸效应及表面效应，呈现出许多特有的物理、化学性质， 成为物理、化学、材料等学科研究的前沿领域。储氢合金纳米化后同样出现了许多新的热力学和动力学特性， 如活化性能明显提高， 具有更高的氢扩散系数和优良的吸放氢动力学性能。

4、碳质材料储氢

吸附储氢具有安全可靠和储存效率高等优点。而在吸附储氢的材料中，碳质材料是最好的吸附剂，不仅对少数的气体杂质不敏感，而且可反复使用。碳质储氢材料主要是高比表面积活性炭（AC）、石墨纳米纤维(GNF)、碳纳米管(CNT)。

5、配位氢化物储氢

配位氢化物储氢是利用碱金属(Li、Na、K等)或碱土金属(Mg、Ca等)与第三主族元素可与氢形成配位氢化物的性质。其与金属氢化物之间的主要区别在于吸氢过程中向离子或共价化合物的转变，而金属氢化物中的氢以原子状态储存于合金中。

6、水合物储氢

气体水合物，又称孔穴形水合物，是一种类冰状晶体，由水分子通过氢键形成的主体空穴在很弱的范德华力作用下包含客体分子组成。

(4)哪些元素适合做贮氢合金扩展阅读

氢气可以用作燃料，具有下列特点:

优点

1、资源丰富。以水为原料，电解便可获得。水资源在地球上相对主要燃料石油，煤也较丰富。

2、热值高。氢燃烧的热值高居各种燃料之冠，据测定，每千克氢燃烧放出的热量为1.4*10^8J，为石油热值的3倍多。因此，它贮存体积小，携带量大，行程远。

3、氢为燃料最洁净。氢的燃烧产物是水，对环境不产生任何污染。

缺点

氢气要安全储藏和运输并不容易，它重量轻、难捉摸、扩散速度快，需低温液化，会导致阀门堵塞并形成不必要的压力。

❺ 储氢合金都包括哪些金属

主要包括元素周期表中镍附近的金属，如铂、铑等。

❻ 常用的储氢材料有哪些

已实用和研究发展中的贮氢材料主要有：

①镁系贮氢合金。主要有镁镍、镁铜、镁铁、镁钛等合金。具有贮氢能力大（可达材料自重的5.1%～5.8%）、价廉等优点，缺点是易腐蚀所以寿命短，放氢时需要250℃以上高温。

②稀土系贮氢合金。主要是镧镍合金，其吸氢性好，容易活化，在40℃以上放氢速度好，但成本高。

③钛系贮氢合金。有钛锰、钛铬、钛镍、钛铁、钛铌、钛锆、钛铜及钛锰氮、钛锰铬、钛锆铬锰等合金。其成本低，吸氢量大，室温下易活化，适于大量应用。

❼ 储氢材料有哪些高中

主要有：

1、镁系贮氢合金。主要有镁镍、镁铜、镁铁、镁钛等合金。具有贮氢能力大（可达材料自重的5.1%～5.8%）、价廉等优点，缺点是易腐蚀所以寿命短，放氢时需要250℃以上高温。

2、稀土系贮氢合金。主要是镧镍合金，其吸氢性好，容易活化，在40℃以上放氢速度好，但成本高。

氢

是一种化学元素，元素符号H，在元素周期表中位于第一位。氢通常的单质形态是氢气，无色无味无臭，是一种极易燃烧的由双原子分子组成的气体，氢气是最轻的气体。医学上用氢气来治疗疾病。

氢气的爆炸极限为4.0~74.2%（氢气的体积占混合气总体积比）。