固態(tài)儲(chǔ)氫材料孰優(yōu)孰劣？一文看懂固態(tài)儲(chǔ)氫材料未來(lái)發(fā)展方向

氫的廉價(jià)制取、安全儲(chǔ)運(yùn)以及高效應(yīng)用是目前氫能研究領(lǐng)域的重點(diǎn)，而安全、高效的氫儲(chǔ)運(yùn)是實(shí)現(xiàn)氫能規(guī)模化應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵，因此高容量固態(tài)儲(chǔ)氫材料的研發(fā)具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價(jià)值。固體材料儲(chǔ)氫因儲(chǔ)氫密度大、安全系數(shù)高而成為最有前景的儲(chǔ)氫技術(shù)，得到了研究者們的廣泛關(guān)注。

本文將針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外固體儲(chǔ)氫材料研究現(xiàn)狀，論述幾種固體儲(chǔ)氫材料的研究進(jìn)展。

物理吸附類儲(chǔ)氫材料

物理吸附類儲(chǔ)氫材料的工作原理是運(yùn)用范德華力對(duì)氫氣的吸附作用，因其在特定條件下對(duì)氫氣具有良好、可逆的熱力學(xué)吸附、脫附性能而受到廣泛研究。提高材料對(duì)氫氣的吸附作用使氫分子更容易、更牢固地吸附在微孔材料的表面或孔腔中，已成為進(jìn)一步提高物理吸附儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫量的一條重要途徑。

01

碳基儲(chǔ)氫材料

碳基儲(chǔ)氫材料主要分為活性炭（高比表面積，約3000 m2/g）、碳納米纖維（高比表面積大，較多微孔，同時(shí)吸附和脫附速率快）、碳納米管（表面結(jié)合各種官能團(tuán)，儲(chǔ)氫性能好），由于碳基材料與氫氣的相互作用較弱，所以提高該材料儲(chǔ)氫性能的方法主要有調(diào)節(jié)材料的比表面積、孔道尺寸、孔體積、對(duì)碳基材料進(jìn)行改性、微孔化、制約金屬團(tuán)聚等可以有效提高儲(chǔ)氫量。

碳納米管

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金屬有機(jī)框架儲(chǔ)氫材料

金屬有機(jī)框架儲(chǔ)氫材料是由無(wú)機(jī)單元和有機(jī)單元結(jié)合形成的高度結(jié)晶的多孔配位聚合物。這些材料具有極高的表面積、超高孔隙率、可調(diào)孔徑和可用活性金屬位點(diǎn)，比其他基于物理吸附的潛在儲(chǔ)氫材料更具優(yōu)勢(shì)。金屬有機(jī)框架儲(chǔ)氫材料在超低溫下儲(chǔ)氫容量非常可觀，而常溫條件下則很低。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)構(gòu)為微孔鋁基金屬有機(jī)框架（BUT-22）的材料在77K低溫、10MPa壓力下具有最高的儲(chǔ)氫能力，常溫下的儲(chǔ)氫能力大幅度降低。通過(guò)對(duì)過(guò)渡金屬分析表明，渡金屬置換、結(jié)構(gòu)交叉重組對(duì)金屬有機(jī)框架儲(chǔ)氫材料的儲(chǔ)氫特性存在著多方面影響，將成為今后的研究重點(diǎn)。

化學(xué)吸附類儲(chǔ)氫材料

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鎂基儲(chǔ)氫材料

鎂由于其豐富的儲(chǔ)量、較高的理論儲(chǔ)氫量（7.6%）和體積儲(chǔ)氫密度（110kg/m3 H2）、低廉的成本價(jià)格，且單質(zhì)鎂可以在高溫條件下與氫氣反應(yīng)生成MgH2，故MgH2/Mg體系被認(rèn)為是最有潛力的儲(chǔ)氫體系之一。鎂和氫之間的氫化反應(yīng)如下

鎂和氫反應(yīng)示意圖

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鈦基儲(chǔ)氫材料

鈦及其合金是一種很有潛力的儲(chǔ)氫材料，但缺點(diǎn)之一是容易生成一層致密的TiO2膜，因而需要較高的活化溫度和氣體壓強(qiáng)。此外，鈦基合金還容易受到水和氧氣等雜質(zhì)毒化，且在吸放氫過(guò)程中存在嚴(yán)重的滯后現(xiàn)象。因此，需要改善合金的活化性能，擴(kuò)大其適用范圍，使之具備更好的實(shí)用價(jià)值。

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稀土基儲(chǔ)氫材料

稀土儲(chǔ)氫合金的動(dòng)力學(xué)性能和穩(wěn)定性較好且儲(chǔ)氫容量較高，在鎳氫電池上的應(yīng)用取得巨大成功后，稀土成為固定式氫燃料儲(chǔ)氫載體重要選擇方案之一，極具發(fā)展前景和應(yīng)用潛力。

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其他金屬基儲(chǔ)氫材料

在眾多金屬材料里，鋯系合金和釩基合金在固體儲(chǔ)氫材料領(lǐng)域皆有一定的應(yīng)用。鋯系合金可用通式AB2表示，主要包括Zr-Mn體系、Zr-V體系、Zr-Cr體系，結(jié)構(gòu)多為C14、C15 Laves相，具有反應(yīng)速度快、吸氫量大、循環(huán)壽命長(zhǎng)和沒(méi)有滯后效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是合金成本高、穩(wěn)定性較差且較難活化。

物理吸附類儲(chǔ)氫材料吸附過(guò)程不發(fā)生化學(xué)變化，儲(chǔ)氫方式簡(jiǎn)單，但在常溫或高溫下性能不穩(wěn)定且質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度較低，材料制備復(fù)雜，機(jī)理認(rèn)識(shí)不夠，制約了物理吸附類儲(chǔ)氫材料的應(yīng)用前景。故物理吸附類儲(chǔ)氫材料應(yīng)朝著常溫、常壓、高可逆性和高容量等方向發(fā)展。金屬基儲(chǔ)氫材料是目前綜合性能最為優(yōu)異的儲(chǔ)氫材料選擇，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)新的改進(jìn)手段，或者研發(fā)新實(shí)驗(yàn)方案將多種改性方法結(jié)合起來(lái)以實(shí)現(xiàn)材料的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，應(yīng)是未來(lái)金屬基儲(chǔ)氫材料研究的重點(diǎn)方向。