储氢材料的研究进展
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作者: 刘杰 陶健
摘要：氢能以其可再生性和环保效应成为未来最具发展潜力的能源，而氢的储存是发展氢能技术的难点之一。本文综述了储氢材料现状，重点介绍了新型碳质材料储氢技术,并对未来的储氢材料发展进行了展望。
关键词：氢气 储氢材料 碳纳米
绪论
化石能源的有限性与人类需求的无限性将导致煤炭、石油等一次能源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)。同时，化石能源的使用正在给地球造成巨大的生态灾难，如温室效应、酸雨等，严重威胁地球动植物的生存!氢是自然界中最普遍的元素,资源无穷无尽，且热值高,无污染 ,可循环利用，因此成为未来最具有发展潜力的能源之一。氢的储存是发展氢能技术的难点之一，亟待解决。
1、储氢材料技术现状1
1.1 金属氢化物
1.1.1储氢机制：在氢气富集时，利用化学反应让氢气与金属生成氢化物，或者利用物理吸附的方式吸收氢气，在需要氢气时氢化物分解或者氢气脱吸附将氢气释放出来，而且能可逆充放氢气很多次。
反应方程式：M+x/2H2MHx + △H
1.1.2金属氢化物分类：
* 稀土镧镍系：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
* 钛铁系：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。
* 镁系：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。
* 钛/锆系：利用合金储氢后随温度升高氢平衡压也升高的特性，可制成无传动部件的氢压缩机、低温致冷机、空调机、电冰箱、热泵等
1.2配位氢化物储氢
1.2.1配位氢化物
由碱金属(Li,Na,K)或碱土金属(Mg,Ca)与第三主族元素(B,Al)形成。
1.2.2储氢特点
储氢量普遍很低，在循环吸氢过程中易出现晶粒化2，再氢化难，无法满足应用的需要
2、新型储氢材料
2.1 储氢特点：质轻，对少量气体杂质不敏感，可重复使用
2.2 典型代表：碳纳米管、碳纳米纤维、高比表面积活性炭和富勒烯。
2.2.1 碳纳米管吸附储氢3
碳纳米管在微观结构上具有典型的层状中空结构特征，按照石墨烯片的层数可分为单壁碳纳米管，多壁碳纳米管以及由单壁碳纳米管束形成的复合管，管直径通常为纳米级，长度在微米到毫米级。碳纳米管具有较大的比表面积，其特殊的管道结构及多壁碳管之间的芯部和表面都有大量的分子级细孔，因此具有很好的毛细吸附性能，可以吸附大量气体，对氢气具有物理和化学吸附作用。目前碳纳米管吸附储氢方面达成的共识主要有4：吸附量与表面积呈正比关系；吸附的区域大致在管内和管外或阵列的间隙处；碳纳米管的直径对吸附量有影响；表面处理对吸附量起着重要甚至于决定性作用3、7。
2.2.2 碳纳米纤维吸附储氢
碳纳米纤维具有很高的比表面积,大量的氢气被吸附在碳纳米纤维表面,为氢气进入碳纳米纤维提供了主要通道；碳纳米纤维的层间距远远大于氢气分子的动力学直径(0.289nm),大量的氢气可进入碳纳米纤维的层面之间；碳纳米纤维有中空管,可以像碳纳米管一样具有毛细作用,氢气可凝结在中空管中,从而使碳纳米纤维具有超级储氢能力。毛宗强等通过实验得到在常温下碳纳米纤维可以吸附氢气和解吸，实验中吸附率达到8wt%，最高达到9.99wt%，为目前常用的储氢合金LaNi5的7倍5。白朔等用流动催化法制备的碳纳米纤维(直径100nm)在室温下的储氢密度为10wt%6。
2.2.3 高比表面积活性炭吸附储氢
高比表面积活性炭是一种多孔性、极具潜力的含碳吸附材料，具有高度发达的内部空隙结构和巨大的比表面积，具有很强的吸附性。其储氢是利用其巨大的表面积与氢分子之间的范德华力来实现的，是典型的超临界气体吸附。氢气的吸附量与碳材料的表面积成正比，但又随温度的升高而指数降低。
2.2.4 富勒烯吸附储氢
富勒烯储氢是使大量氢气为富勒烯所吸收，并且转变为富勒烯氢化物或内嵌富勒烯包合物的形式储存。氢与富勒烯氢化物之间可以进行可逆反应，当有热量加给富勒烯氢化物或内嵌富勒烯包合物时，它就会分解为储氢合金并释放出氢气。
3、储氢材料发展趋势
储氢技术作为氢能走向实用化、规模化的关键，备受关注。同时储氢材料的研究中也存在诸多问题，例如世界范围内所测储氢量相差太大：0.01(wt)%-67 (wt)%，如何准确测定是需要全球统一的问题；大多数储氢合金自重大,寿命也是个问题，自重低的镁系合金很难常温储放氢,配位氢化物的可逆储放氢等需进一步开发研究,碳材料吸附储氢逐步受到重视,但基础研究不够,能否实用化还是个问号。
根据技术发展趋势，今后储氢研究的重点是在新型高性能规模储氢材料上。近年来，纳米复合物在储氢方面已表现出优异的性能，有关的研究国内尚处于初始阶段，应积极探索纳米复合物作为规模储氢材料的可能性。
氢能之路-前途光明,道路曲折！
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