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儲氫材料有哪些?

儲氫合金是壹種金屬間化合物,在壹定的溫度和氫壓下,可以可逆地吸收、儲存和釋放大量的氫。

儲氫合金由兩部分組成。壹部分是吸氫或與氫親和力強的元素(A),控制儲氫量,是儲氫合金的關鍵元素。它主要由從1A到ⅴ B族的金屬組成,例如Ti、Zr、Ca、Mg、V、Nb和Re(稀土元素)。另壹部分是吸收很少或根本不吸收氫的元素(B),控制吸/放氫的可逆性,起到調節生成熱和分解壓力的作用,如Fe、Co、Ni、Cr、Cu、Al等。圖1列出了壹些金屬氫化物的儲氫量。

目前,國際上已開發出多種儲氫合金,按儲氫合金金屬成分的數量可分為二元系、三元系和多元系;根據儲氫合金材料的主要金屬元素可分為:稀土系、鎂系、鈦系、釩基固溶體、鋯系等。構成儲氫合金的金屬可分為吸氫型(用A表示)和非吸氫型(用B表示),相應地,儲氫合金可分為AB5型、AB2型、AB型和A2B型。?

無機和有機儲氫材料

壹些無機物(如N2、CO、CO2)可以與H2發生反應,產物可以作為燃料,分解得到H2,這是目前正在研究的壹種新型儲氫技術。如碳酸氫鹽與甲酸鹽的儲氫反應,其中以Pd或PdO為催化劑,以吸濕性強的活性炭為載體,以KHCO3或NaHCO3為儲氫劑,儲氫量可達2wt%。這種方法的主要優點是易於大量儲存和運輸,安全性好,但儲氫量和可逆性不是很好。

壹些金屬能與水反應產生氫氣。比如Na,反應後生成NaOH,氫氣的質量儲存密度為3wt%。雖然這個反應是不可逆的,但是NaOH可以通過太陽能爐還原成金屬Na。同樣,Li也有這種工藝,其氫的質量儲存密度為6.3wt%。這種儲氫方法的主要困難是金屬還原的可逆性和控制。目前,鋅的應用是成功的。

Li3N的理論吸氫量為11.5wt%,在255℃氫氣氣氛中保持半小時,總吸氫量可達9.3wt%。200℃的時候,給足夠的時間,會有吸收。在200℃ (1 mPa)的真空下,釋放出6.3wt%的氫氣,剩余的氫氣只有在高溫(高於320℃)下才能釋放出來。與其他金屬氫化物不同,在PCT曲線中,Li3N有兩個平臺:第壹個平臺壓力低,第二個平臺壓力為斜率。

有機儲氫技術始於20世紀80年代。有機物儲氫是通過不飽和液態有機物與氫氣的壹對可逆反應實現的,即催化加氫和脫氫。氫化反應實現儲氫(化學鍵合),脫氫反應實現放氫。有機液體氫化物作為壹種新型儲氫技術,具有很多優點:儲氫量大,如苯和甲苯的理論儲氫量分別為7.19wt%和6.18wt %;儲氫劑和氫載體的性質與汽油相似,儲存、運輸和維護安全方便,便於利用現有的石油儲運設施;不飽和有機液體化合物作為儲氫劑可多次循環使用,使用壽命可達20年。但加氫脫氫條件苛刻,使用的催化劑容易失活,還在做進壹步的研究。?

納米儲氫材料

納米材料因其量子尺寸效應、小尺寸效應和表面效應而具有許多獨特的物理化學性質,已成為物理、化學、材料等學科的前沿領域。納米化後,還出現了許多新的熱力學和動力學特性,如活化性能明顯提高,氫擴散系數更高,吸放氫動力學性能優異。納米儲氫材料在儲氫量、循環壽命和氫化-脫氫速率方面通常比普通儲氫材料具有更好的性能。隨著比表面積和表面原子序數的增加,金屬的性質發生變化,具有塊體材料所不具備的性質。由於顆粒尺寸小,氫更容易擴散到金屬中形成間隙固溶體。表面吸附現象也更加明顯,因此儲氫材料的納米化成為儲氫材料的研究熱點。納米儲氫合金為高儲氫量儲氫材料的研究提供了新的研究方向和思路。Tanaka等人總結了納米儲氫合金具有優異動態性能的原因:(1)大量納米晶界使氫原子易於擴散;(2)納米晶具有極高的比表面積,使得氫原子容易滲透到儲氫材料中;(3)納米儲氫材料避免了氫原子通過氫化物層的長距離擴散,氫化物中氫原子的擴散是控制動力學性能的最重要因素。壹般來說,鎳鋁合金不具有吸氫特性。魏建軍等采用自懸浮定向流法制備單相金屬間化合物AlNi納米顆粒。在壹定條件下,納米AlNi可在90-100℃實現吸放氫過程,最大吸附量可達7。材料自身重量的3%。?

碳材料儲存氫。

吸附儲氫是近年來發展起來的壹種新型儲氫方法,具有安全可靠、儲存效率高的優點。在吸附儲氫的材料中,碳質材料是最好的吸附劑,它不僅對少數氣體雜質不敏感,而且可以重復使用。碳質儲氫材料主要是活性炭(AC)、石墨納米纖維(GNF)和具有高比表面積的碳納米管(CNT)。?

配位氫化物儲氫

配位氫化物儲氫是基於堿金屬(鋰、鈉、鉀等)的性質。)或堿土金屬(鎂、鈣等。)和第三主族元素可以與氫形成配位氫化物。金屬氫化物和金屬氫化物的主要區別是在吸氫過程中過渡到離子或共價化合物,而金屬氫化物中的氫是以原子狀態儲存在合金中的。

表1顯示了壹些配位氫化物,可以看出它們含有極高的儲氫容量,因此可以作為優良的儲氫介質,LiBH4,NaBH4,KBH4已經工業化。

需要指出的是,配位氫化物在室溫下的分解速率很低,金屬硼氫化物如LiBH4、NaBH4在幹燥或惰性氣氛中直到300℃以上才能分解釋放出氫氣,對其循環性能的研究也很少。因此,Bogdanovic等人以NaAlH4為研究對象,發現催化劑可以降低其活化能,Ti4+的催化性能優於Zr4+。

對於配位氫化物的研究和開發,需要進壹步研究尋找新的催化劑或優化現有催化劑(Ti、Zr、Fe)的組合,以改善其低溫析氫性能和循環性能。?

水合物儲氫

氣體水合物又稱孔狀水合物,是壹種類冰晶體,由水分子通過氫鍵和客體分子在弱範德華力作用下形成的主體空穴組成。它的壹般反應方程式是:

R+NH2O-R NH2O(固體)1△ H(反應熱)

水合物通常有三種結構,如圖2和表2所示。許多氣體或揮發性液體在壹定的溫度和壓力條件下能與水反應生成氣體水合物,如天然氣、二氧化碳和各種氟利昂制冷劑。

水合物儲氫有很多優點:壹是儲氫和放氫過程完全相反,儲氫材料是水,放氫後的剩余產物只有水,對環境沒有汙染,水在自然界大量存在,價格低廉;其次,形成和分解的溫度壓力條件相對較低,速度快,能耗低。粉末冰形成氫水合物只需要幾分鐘,塊狀冰形成氫水合物只需要幾個小時;水合物分解時,由於氫以分子形式存在於水合物孔隙中,只有在常溫常壓下才能從水合物中釋放出來,分解過程非常安全,消耗的能量也較少。因此,研究利用水合物儲氫是非常有意義的。美國、日本、加拿大、韓國和歐洲已經開始了初步的實驗研究和理論分析。

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