浅谈储氢材料的研究现状

谭景祥 王星磊 曲 伟

（1青岛市生态环境局市北分局环境监测站 山东青岛 266000 2青岛市环境监测中心站 山东青岛 266000）

引言

目前，气态压缩与液化以及通过一些金属材料的吸附是目前氢能的主要储存方式，但这种方式耗能大，同时还有许多安全隐患的存在。所以，研发一种能在室温下能够对氢气进行高密度储存的新型储氢材料成为一大趋势。

1 研究意义与背景

随着社会的发展，粉尘、酸雨、温室效应、臭氧层空洞的现象频发，化石燃料的燃烧对环境带来了巨大的冲击。而氢能作为未来最具发展潜力的清洁能源，其清洁、可持续等众多优势引起了全社会广泛的关注。

2 氢能源的优点和难点

氢气作为一种新的理想能源的优点：（1）氢普遍存在于自然界中，而且也也很丰富，据估算氢在宇宙质量中占据约75%，氢主要是以单质氢以及化合物水的形式存在。（2）氢气不仅具有高达121061 kJ/kg的发热值，而且能够快速燃烧，与空气混合可燃范围广，燃烧性能好。（3）氢在氧气中燃烧产物单一，只产生水这种绿色能源。（4）氢气其应用安全，五毒、高挥发性，分解水制氢，燃烧释放能量产生水，可实现物质循环使用和能量的便携分散。

然而，在对氢能的利用过程中又有很多难点：（1）目前耗能大、效率低都阻碍氢的制备。（2）氢气易气化、着火、爆炸带来安全隐患。（3）氢能的规模化应用也收到储氢和运输技术的制约。

3 储氢材料的研究现状

液化储氢、高压储氢、非金属及金属材料的固体储氢是目前氢气的主要储存方式。储氢的吸附主要有化学吸附和物理吸附两种方式。

3.1 高压压缩气态储氢

作为一种简便易行、技术相对成熟、应用广泛的储氢方式，高压压缩气态储氢在常温下就可进行，而且充放速度快，同时成本低。但厚重的耐压容器、高耗能的气体压缩功易造成容器爆破和气体泄漏，存在众多不安全因素[1]。

3.2 低温液化液态储氢

在超低温下，将氢气液化，使其在高真空的绝热熔器中以液体形式存在，这就是低温液化液态储氢。这种方式储氢体积能量密度较高，常温、常压下液氢密度是气态氢的845倍，但是这需要消耗很大的能量，大大增加了成本。

3.3 金属氢化物储氢

目前研究较多，发展较快的是金属氰化物储氢，其储氢密度约相当于标态下氢气的1000倍。其反应机理为：

该金属通过与氢发生一系列良好的可逆性反应来进行氢的存储，而镁基、钛基、锆系、稀土系、钒基固溶体等合金的金属储氢材料已趋于成熟，并且具备了一定的使用价值。

3.4 配位氢化物储氢

在目前众多的储氢材料中，氢化物储氢材料具有极高的体积和质量储氢密度[2]。此类储氢材料中，以碱金属或碱土金属为最佳，而其中的铝氢化物和硼氢化物又具有最高的储氢质量密度[3]，因此而被广泛研究。在NaAlH4中Al与Na之间以离子键方式结合，Al与4个H之间以共价键方式结合。

3.5 有机液体储氢材料

不饱和液体有机物与氢之间可实现可逆反应，通过加氢反应和脱氢反应有机液体氰化物从而进行储氢。该类材料具有储氢量大，便于储存、运输和可循环使用的特点，加氢反应中放出大量热量也可供利用。目前的研究表明，只有苯、甲苯因其脱氢过程可逆且储氢量大，可作为较理想的有机储氢材料。

3.6 多孔吸附储氢材料

在当前储氢材料开发和研究中，多孔吸附储氢材料自身具有工作压力低、储存容器重量轻，形状选择余地大等优势，因此让其的发展和研究前景广阔。以矿物多孔材料、金属有机物多孔材料、碳基多孔材料和非碳纳米管类材料为代表的多孔吸附储氢材料成为研究焦点。

3.7 硼基纳米材料

在硼基纳米材料中，硼和碳都是轻元素，硼缺电子的结构又使其具有特殊属性，因此该材料具有更好的储氢性能。然而过渡金属原子的存在，又使团聚的问题很容易发生，于是有人提出用硼原子来取代原有的碳原子，硼原子自身存起缺电子结构，在石墨烯、富勒烯、纳米管等中掺杂硼原子，这样既可以使过渡金属原子的电子转移向纳米材料，又可使过渡金属原子与纳米材料之间的反馈作用减少，同时体系中可利用的电子也将减少。

结语

当今，各种储氢材料的结构、性能、制备和应用等方面的研究均积累了大量的成果。在商业化推进中，储氢材料仍要解决降低成本、简化工艺、便携而高含量、速度快可逆吸放、寿命长、可循环使用等条件，才能在更大程度上符合使用要求。