储氢材料概述

2019/10/201储氢材料概述报告人：赵平指导教师：张华民研究员FuelcellR&DcenterDalianInstituteofChemicalPhysicsChineseAcademyofScience2004年4月SeminarIFuelCellR&DCenterSeminarI2019/10/202一、绪言氢－二十一世纪的绿色能源FuelCellR&DCenterSeminarI2019/10/2031.1能源危机与环境问题化石能源的有限性与人类需求的无限性－石油、煤炭等主要能源将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）化石能源的使用正在给地球造成巨大的生态灾难－温室效应、酸雨等严重威胁地球动植物的生存！！！人类的出路何在？－新能源研究势在必行！！！FuelCellR&DCenterSeminarI2019/10/2041.2氢能开发，大势所趋氢是自然界中最普遍的元素，资源无穷无尽－不存在枯竭问题氢的热值高，燃烧产物是水－零排放，无污染，可循环利用氢能的利用途径多－燃烧放热或电化学发电氢的储运方式多－气体、液体、固体或化合物FuelCellR&DCenterSeminarI2019/10/2051.3实现氢能经济的关键技术廉价而又高效的制氢技术安全高效的储氢技术－开发新型高效的储氢材料和安全的储氢技术是当务之急车用氢气存储系统目标：IEA:质量储氢容量5%;体积容量50kg(H2)/m3DOE:6.5%,62kg(H2)/m32019/10/206二、不同储氢方式的比较气态储氢：1)能量密度低2)不太安全液化储氢：1)能耗高2)对储罐绝热性能要求高2019/10/207二、不同储氢方式的比较固态储氢的优势：1)体积储氢容量高2)无需高压及隔热容器3)安全性好，无爆炸危险4)可得到高纯氢，提高氢的附加值FuelCellR&DCenterSeminarI2019/10/2082.1体积比较FuelCellR&DCenterSeminarI2019/10/2092.2氢含量比较0123450123454.2wt%Carbonnanotube(RT,10MPa氢压)3.6wt%1.8wt%1.4wt%Hydrogenstoragecapacity(wt%)LaNi5H6TiFeH1.9Mg2NiH4Hydrogenstoragecapacity(wt%)perweightFuelCellR&DCenterSeminarI2019/10/2010三、储氢材料技术现状3.1金属氢化物3.2配位氢化物3.3纳米材料FuelCellR&DCenterSeminarI2019/10/2011金属氢化物储氢特点反应可逆氢以原子形式储存，固态储氢，安全可靠较高的储氢体积密度Abs.Des.M+x/2H2MHx+∆HFuelCellR&DCenterSeminarI2019/10/2012PositionforHoccupiedatHSMHydrogenonTetrahedralSitesHydrogenonOctahedralSitesFuelCellR&DCenterSeminarI2019/10/20133.1金属氢化物储氢目前研制成功的：稀土镧镍系钛铁系镁系钛/锆系FuelCellR&DCenterSeminarI2019/10/2014稀土镧镍系储氢合金典型代表：LaNi5,荷兰Philips实验室首先研制特点：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经元素部分取代后的MmNi3.55Co0.75Mn0.47Al0.3(Mm混合稀土，主要成分La、Ce、Pr、Nd)广泛用于镍/氢电池FuelCellR&DCenterSeminarI2019/10/2015PCTcurvesofLaNi5alloyFuelCellR&DCenterSeminarI2019/10/2016钛铁系典型代表：TiFe，美Brookhaven国家实验室首先发明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FuelCellR&DCenterSeminarI2019/10/2017PCTcurvesofTiFealloyTiFe(40℃)FuelCellR&DCenterSeminarI2019/10/2018TiFealloyCharacteristics:twohydridephases;phase(TiFeH1.04)&phase(TiFeH1.95)2.13TiFeH0.10+1/2H2→2.13TiFeH1.042.20TiFeH1.04+1/2H2→2.20TiFeH1.95FuelCellR&DCenterSeminarI2019/10/2019镁系典型代表：Mg2Ni，美Brookhaven国家实验室首先报道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改进方法：机械合金化－加TiFe和CaCu5球磨，或复合jjkklFuelCellR&DCenterSeminarI2019/10/2020钛/锆系具有Laves相结构的金属间化合物原子间隙由四面体构成，间隙多，有利于氢原子的吸附TiMn1.5H2.5日本松下（1.8％）Ti0.90Zr0.1Mn1.4V0.2Cr0.4活性好用于：氢汽车储氢、电池负极OvinicFuelCellR&DCenterSeminarI2019/10/20213.2配位氢化物储氢碱金属（Li、Na、K）或碱土金属（Mg、Ca）与第三主族元素(B、Al)形成储氢容量高再氢化难(LiAlH4在TiCl3、TiCl4等催化下180℃，8MPa氢压下获得5％的可逆储放氢容量)2019/10/2022金属配位氢化物的的主要性能℃FuelCellR&DCenterSeminarI2019/10/20233.3碳纳米管（CNTs）1991年日本NEC公司Iijima教授发现CNTsFuelCellR&DCenterSeminarI2019/10/2024纳米碳管储氢-美学者Dillon1997首开先河单壁纳米碳管束TEM照片多壁纳米碳管TEM照片FuelCellR&DCenterSeminarI2019/10/2025纳米碳管吸附储氢：HydrogenstoragecapacitiesofCNTsandLaNi5forcomparison(datadeterninedbyIMR，RT，10MPa)FuelCellR&DCenterSeminarI2019/10/2026纳米碳管电化学储氢开口多壁MoS2纳米管及其循环伏安分析循环伏安曲线FuelCellR&DCenterSeminarI2019/10/2027纳米碳管电化学储氢FuelCellR&DCenterSeminarI2019/10/2028多壁纳米碳管电极循环充放电曲线，经过100充放电后保持最大容量的70％单壁纳米碳管循环充放电曲线，经过100充放电后保持最大容量的80％FuelCellR&DCenterSeminarI2019/10/2029碳纳米管电化学储氢小结1.纯化处理后多壁纳米碳管最大放电容量为1157mAh/g，相当于4.1％重量储氢容量。经过100充放电后，其仍保持最大容量的70％。2.单壁纳米碳管最大放电容量为503mAh/g，相当于1.84％重量储氢容量。经过100充放电后，其仍保持最大容量的80％。FuelCellR&DCenterSeminarI2019/10/2030纳米材料储氢存在的问题：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？储氢机理如何FuelCellR&DCenterSeminarI2019/10/2031四、结束语－氢能离我们还有多远？氢能作为最清洁的可再生能源，近10多年来发达国家高度重视，中国近年来也投入巨资进行相关技术开发研究氢能汽车在发达国家已示范运行，中国也正在筹划引进氢能汽车商业化的障碍是成本高，高在氢气的储存液氢和高压气氢不是商业化氢能汽车－安全性和成本大多数储氢合金自重大，寿命也是个问题；自重低的镁基合金很难常温储放氢、位氢化物的可逆储放氢等需进一步开发研究,碳材料吸附储氢受到重视，但基础研究不够，能否实用化还是个问号氢能之路－前途光明，道路曲折！