氢气储存和运输 课件 第5章 材料基固态储运氢.pptx

材 料 基 固 态 储 运 氢 材 料 基 固 态 储 运 氢许多固态材料是潜在的可逆储氢介质。从储氢机理来看，固态储氢材料可分为物理吸附型和化学氢化物型。物理吸附储氢是一种通过依靠材料与氢气分子之间范德华力的相互作用进行吸脱附氢气的储氢方式。在吸脱附过程中，氢气以H2分子的形式存在，由于物理吸附通常为放热过程，并且氢与材料之间的结合力较弱，物理吸附储氢材料一般在低温条件下（一般为液氮的沸点77 K）吸附氢能力强。物理吸附储氢材料包括碳材料、金属有机框架材料、沸石多孔材料等。化学氢化物储氢材料是通过储存介质与氢气结合为稳定化合物来实现氢储存，主要分为金属氢化物、配位氢化物和氨硼烷及其衍生物三类。在这一章中，首先讨论金属氢化物的储氢性质，即金属元素或合金能够吸收气态氢生成二元或多元金属氢化物来存储氢气；然后介绍配位氢化物，这类材料通过中心原子与氢原子以共价键的形式形成阴离子配位基团，配位基团又与金属离子配位形成配位氢化物；接着介绍最基本的B-N-H化合物氨硼烷及其衍生物；最后讨论物理吸附型储氢材料。在实际应用中，基于不同的应用场景和操作条件，可以选择不同体系的储氢材料来实现氢存储。 《氢气储存和运输》 配位氢化物储氢储氢合金及金属氧化物储氢0102氨硼烷及其衍生物储氢03物理吸附储氢04目 录CONTENTS固态储运氢技术及其应用05 《氢气储存和运输》 1 储氢合金及金属氢化物储氢 《氢气储存和运输》 储 氢 合 金 及 金 属 氢 化 物 储 氢金属氢化物是由金属单质或合金吸收气态氢生成的二元或多元氢化物。氢气分子在金属表面离解为原子氢，原子氢通过在材料晶格中间隙位置之间的扩散进入体相形成金属氢化物。储氢合金是由易生成稳定氢化物金属元素A（如La、Ce、Zr、Ti、V等）与对氢亲和力较小的过渡金属B（如Fe、Co、Ni、Cu、Mn等）组成的金属间化合物[1-3]。其中，组分A易与氢反应，吸氢量大，与氢结合生成强键合氢化物为放热反应（?H＜0）；组分B与氢亲和力小，氢很容易在其中移动，通常不生成氢化物，氢化过程为吸热反应（?H>0）。前者决定吸氢量，后者控制吸/放氢的可逆性，可调节储氢合金的吸/放氢热力学和动力学。目前研究和开发的储氢合金包括稀土系AB5储氢合金、Mg基储氢合金、AB2型Laves相储氢合金、AB型Ti系合金、V基固溶体储氢合金以及稀土-镁-镍储氢合金，常见合金的类型及氢化物的性质如表所示。本节内容主要介绍各种金属单质及合金的储氢原理、吸放氢特性及制备技术。 《氢气储存和运输》 储 氢 合 金 及 金 属 氢 化 物 储 氢 类型典型合金或金属氢化物吸氢量（wt%）氢化物生成焓（kJ/mol）AB5LaNi5LaNi5H61.4-30.1AB2TiMn2TiMn2H2.51.8-28.5ABTiFeTiFeH21.8-23.0Mg基合金Mg2NiMg2NiH43.6-64.5V基合金TiV2TiV2H42.6--主要储氢合金及其氢化物的性质 《氢气储存和运输》 储 氢 合 金 及 金 属 氢 化 物 储 氢5.1.1 金属（合金）的储氢原理金属（合金）具有特定的原子结构规则排布，而其晶格间隙则可作为空位储存氢原子。在一定温度和氢气压力条件下，储氢材料能够大量“吸收”氢气，即与氢反应生成金属氢化物，同时放出热量。加热时，金属氢化物又会分解并将储存的氢释放出来。氢气的“吸收”和“释放”过程是可逆的，可以重复循环进行。金属（合金）储氢的工作原理 《氢气储存和运输》 储 氢 合 金 及 金 属 氢 化 物 储 氢金属的吸氢反应可分为以下四步：2H原子从表面向金属内部扩散，进入金属原子结构间隙。3随着体相中H原子浓度的持续增长，在金属晶格中开始形成α相固溶体。4氢原子浓度继续增加，其在α相固溶体中固溶度饱和后，发生相变，产生β相金属氢化物，氢化反应完成。在范德华力作用下，氢气首先被吸附于金属表面，在表面金属原子作用下，H2解离为H原子。1以上是金属（合金）吸氢形成氢化物的主要步骤，由于大多数金属氢化物吸氢反应是可逆反应，故脱氢反应步骤是上述步骤的逆过程。 《氢气储存和运输》 储 氢 合 金 及 金 属 氢 化 物 储 氢（1）热力学原理金属储氢材料吸放氢过程是氢、金属以及对应氢化物三相动态平衡过程。由图左侧部分可知，储氢材料在吸氢初期形成固溶体时吸氢容量极少，在等温状态下当氢压以及氢固溶度升高至特定数值，固溶体（α-phase）开始向氢化物（β-phase）转变，β相氢化物形核长大，而此过程随着相变进行氢压不变，直到α-phase完全转变为氢化物（β-phase），氢压继续升高，氢化反应完成。而随着温