新型儲氫材料
Ⅰ 儲氫材料概述
Fuel Cell R&D Center
Seminar I
Dalian Institute of Chemical Physics
儲氫材料概述
報告人: 趙 平
指導教師: 張華民 研究員
Fuel cell R&D center
Dalian Institute of Chemical Physics
Chinese Academy of Science
2004年月
Seminar I
一,緒言
氫-二十一世紀
的綠色能源
1.1能源危機與環境問題
化石能源的有限性與人類需求的無限性-石油,煤炭等主要能源將在未來數十年至數百年內枯竭!!!(科技日報,2004年2月25日,第二版)
化石能源的使用正在給地球造成巨大的生態災難-溫室效應,酸雨等嚴重威脅地球動植物的生存!!!
人類的出路何在 -新能源研究勢在必行!!!
1.2 氫能開發,大勢所趨
氫是自然界中最普遍的元素,資源無窮無盡-不存在枯竭問題
氫的熱值高,燃燒產物是水-零排放,無污染 ,可循環利用
氫能的利用途徑多-燃燒放熱或電化學發電
氫的儲運方式多-氣體,液體,固體或化合物
1.3 實現氫能經濟的關鍵技術
廉價而又高效的制氫技術
安全高效的儲氫技術-開發新型高效的儲氫材料和安全的儲氫技術是當務之急
車用氫氣存儲系統目標:
IEA: 質量儲氫容量>5%; 體積容量>50kg(H2)/m3
DOE : >6.5%, > 62kg(H2)/m3
二,不同儲氫方式的比較
氣態儲氫:
能量密度低
不太安全
液化儲氫:
能耗高
對儲罐絕熱性能要求高
二,不同儲氫方式的比較
固態儲氫的優勢:
體積儲氫容量高
無需高壓及隔熱容器
安全性好,無爆炸危險
可得到高純氫,提高氫的附加值
2.1 體積比較
2.2 氫含量比較
三,儲氫材料技術現狀
3.1 金屬氫化物
3.2 配位氫化物
3.3 納米材料
金屬氫化物儲氫特點
反應可逆
氫以原子形式儲存,固態儲氫,安全可靠
較高的儲氫體積密度
Abs.
Des.
M + x/2H2
MHx + H
Position for H occupied at HSM
Hydrogen on Tetrahedral Sites
Hydrogen on Octahedral Sites
3.1 金屬氫化物儲氫
目前研製成功的:
稀土鑭鎳系
鈦鐵系
鎂系
鈦/鋯系
稀土鑭鎳系儲氫合金
典型代表:LaNi5 ,荷蘭Philips實驗室首先研製
特點:
活化容易
平衡壓力適中且平坦,吸放氫平衡壓差小
抗雜質氣體中毒性能好
適合室溫操作
經元素部分取代後的MmNi3.55Co0.75Mn0.47Al0.3(Mm混合稀土,主要成分La,Ce,Pr,Nd)廣泛用於鎳/氫電池
PCT curves of LaNi5 alloy
鈦鐵系
典型代表:TiFe,美Brookhaven國家實驗室首先發明
價格低
室溫下可逆儲放氫
易被氧化
活化困難
抗雜質氣體中毒能力差
實際使用時需對合金進行表面改性處理
PCT curves of TiFe alloy
TiFe(40 ℃)
TiFe alloy
Characteristics:
two hydride phases;
phase (TiFeH1.04) & phase (TiFeH1.95 )
2.13TiFeH0.10 + 1/2H2 → 2.13TiFeH1.04
2.20TiFeH1.04 + 1/2H2 → 2.20TiFeH1.95
鎂系
典型代表:Mg2Ni,美Brookhaven國家實驗室首先報道
儲氫容量高
資源豐富
價格低廉
放氫溫度高(250-300℃ )
放氫動力學性能較差
改進方法:機械合金化-加TiFe和CaCu5球磨,或復合
鈦/鋯系
具有Laves相結構的金屬間化合物
原子間隙由四面體構成,間隙多,有利於氫原子的吸附
TiMn1.5H2.5 日本松下(1.8%)
Ti0.90Zr0.1Mn1.4V0.2Cr0.4
活性好
用於:氫汽車儲氫,電池負極Ovinic
3.2配位氫化物儲氫
鹼金屬(Li,Na,K)或鹼土金屬(Mg,Ca)與第三主族元素(B,Al)形成
儲氫容量高
再氫化難(LiAlH4在TiCl3, TiCl4等催化下180℃ ,8MPa氫壓下獲得5%的可逆儲放氫容量)
金屬配位氫化物的的主要性能
℃
3.3碳納米管(CNTs)
1991年日本NEC公司Iijima教授發現CNTs
納米碳管儲氫-美學者Dillon1997首開先河
單壁納米碳管束TEM照片
多壁納米碳管TEM照片
納米碳管吸附儲氫:
Hydrogen storage capacities of CNTs and LaNi5 for comparison (data deternined by IMR,RT,10MPa)
納米碳管電化學儲氫
開口多壁MoS2納米管及其循環伏安分析
循環伏安曲線
納米碳管電化學儲氫
____________________________________________________
多壁納米碳管電極循環充放電曲線,經過100充放電後_ 保持最大容量的70%
單壁納米碳管循環充放電曲線,經過100充放電後 保持最大容量的80%
碳納米管電化學儲氫小結
__
_
純化處理後多壁納米碳管最大放電容量為 1157mAh/g,相當於4.1%重量儲氫容量.經過100充放電後,其仍保持最大容量的70%.
單壁納米碳管最大放電容量為503mAh/g,相當於1.84%重量儲氫容量.經過100充放電後,其仍保持最大容量的80%.
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____
納米材料儲氫存在的問題:
世界范圍內所測儲氫量相差太大:0.01(wt ) %-67 (wt ) %,如何准確測定
儲氫機理如何
四,結束語-氫能離我們還有多遠
氫能作為最清潔的可再生能源,近10多年來發達國家高度重視,中國近年來也投入巨資進行相關技術開發研究
氫能汽車在發達國家已示範運行,中國也正在籌劃引進
氫能汽車商業化的障礙是成本高,高在氫氣的儲存
液氫和高壓氣氫不是商業化氫能汽車-安全性和成本
大多數儲氫合金自重大,壽命也是個問題;自重低的鎂基合金很難常溫儲放氫,位氫化物的可逆儲放氫等需進一步開發研究,
碳材料吸附儲氫受到重視,但基礎研究不夠,能否實用化還是個問號
氫能之路-前途光明,道路曲折!
Ⅱ 【化學物質結構與性質】開發新型儲氫材料是氫能利用的重要研究方向．（1）Ti（BH4）3是一種儲氫材料，可
（1）①基態Ti3+的核外電子排布式為1s22s22p63s23p63d1，其未成對電子數是1，故答案為版：1；
②Li+和BH-4之間存權在離子鍵，硼原子和氫原子之間存在共價鍵、配位鍵，所以該化合物中不含金屬鍵，故選c；
③非金屬的非金屬性越強其電負性越大，非金屬性最強的是H元素，其次是B元素，最小的是Li元素，所以Li、B、H元素的電負性由大到小排列順序為H＞B＞Li，
故答案為：H＞B＞Li；
（2）①Li+和H-的電子層結構相同，鋰元素的原子序數大於氫元素，所以離子半徑Li+＜H-，故答案為：＜；
②該元素的第III電離能劇增，則該元素屬於第IIA族，為Mg元素，故答案為：Mg；
（3）La的原子個數=
| 1 |
| 8 |
| 1 |
| 2 |
Ⅲ 開發新型儲氫材料是氫能利用的重要研究方向．（1）Ti（BH4）3是一種儲氫材料，可由TiCl4和LiBH4反應製得
（1）①基態Ti3+的核外電子排布式為1s22s22p63s23p63d1，其未成對電子數是1，故答案為：1；
②具有相同的電子數和原子數的微粒互為等電子體，則BH4-的等電子體為NH4+；Li+和BH-4之間存在離子鍵，硼原子和氫原子之間存在共價鍵、配位鍵，所以該化合物中不含金屬鍵；
故答案為：NH4+；C；
③非金屬的非金屬性越強其電負性越大，非金屬性最強的是H元素，其次是B元素，最小的是Li元素，所以Li、B、H元素的電負性由大到小排列順序為H＞B＞Li，
故答案為：H＞B＞Li；
（2）①Li+和H-的電子層結構相同，鋰元素的原子序數大於氫元素，所以離子半徑Li+＜H-，故答案為：＜；
②該元素的第III電離能劇增，則該元素屬於第IIA族，為Mg元素，故答案為：Mg；
（3）圖中虛線框內碳原子之間的化學鍵有C-C、C=C、C≡C，其雜化類型分別為sp3雜化、sp2雜化、sp雜化，所以雜化軌道類型有3種；
故答案為：3；
（4）分子間氫鍵數目越多，則沸點越高，已知H2O分子間氫鍵數比HF多，所以H2O沸點高；CH4分子間沒有氫鍵不能形成「籠狀結構」，每個HF只能形成2個氫鍵，所以HF分子間只能形成鏈狀結構，
故答案為：H2O分子間氫鍵數比HF多，所以H2O沸點高；BC；
（5）由NaCl的晶胞圖可知，NaCl的晶胞為正立方體結構，立方體的體心只有一個Na+，而其它的離子都處在立方體的面上，晶胞中的總原子數為27個，而表面上就有26個，故「NaCl」納米顆粒的表面原子占總原子數的百分比為
| 26 |
| 27 |
故答案為：C．
Ⅳ （2014呼倫貝爾二模）開發新型儲氫材料是氫能利用的重要研究方向．（1）Ti（BH4）3是一種儲氫材料，可由
（1）①基態電子排布遵循能量最低原理、保里不相容原理和洪特規則，Ti的基態原子外圍電子排布式為：3d24s2，故答案為：3d24s2；
②BH4-中B原子價層電子數=4+
| 1 |
| 2 |
故答案為：正四面體；sp3；c；
③非金屬的非金屬性越強其電負性越大，非金屬性最強的是H元素，其次是B元素，最小的是Li元素，所以Li、B、H元素的電負性由大到小排列順序為H＞B＞Li，
故答案為：H＞B＞Li；
（2）該晶胞中鎂原子個數=
| 1 |
| 8 |
| 1 |
| 2 |
| m |
| V |
| 52 |
| V×NA |
故答案為：
| 52 |
| V×NA |
（3）CaF2的結構如圖
故答案為：Cu3AuH8
Ⅳ 碳納米管可用作新型儲氫材料嗎
可以。
「氫氣被很多人視為未來的清潔能源。但是氫氣本身密度低，壓縮成液體儲存又十分不方便。碳納米管自身重量輕，具有中空的結構，可以作為儲存氫氣的優良容器，儲存的氫氣密度甚至比液態或固態氫氣的密度還高。適當加熱，氫氣就可以慢慢釋放出來。研究人員正在試圖用碳納米管製作輕便的可攜帶式的儲氫容器。」
——摘自網路。碳納米管-應用前景
就算我幫你查一下資料吧。
Ⅵ 用什麼材料可以儲存氫氣
1、合金儲氫材料
在一定溫度和氫氣壓力下，能可逆地大量吸收、儲存和釋放氫氣的金屬間化合物。
按儲氫合金金屬組成元素的數目劃分，可分為：二元系、三元系和多元系；按儲氫合金材料的主要金屬元素區分，可分為：稀土系、鎂系、鈦系、釩基固溶體、鋯系等；而組成儲氫合金的金屬可分為吸氫類(用A表示)和不吸氫類(用B表示)，據此又可將儲氫合金分為：AB5型、AB2型、AB型、A2B型。
2、無機物及有機物儲氫材料
有機物儲氫技術始於 20 世紀 80 年代。有機物儲氫是藉助不飽和液體有機物與氫的一對可逆反應，即利用催化加氫和脫氫的可逆反應來實現。加氫反應實現氫的儲存(化學鍵合)，脫氫反應實現氫的釋放。
3、納米儲氫材料
納米材料由於具有量子尺寸效應、小尺寸效應及表面效應，呈現出許多特有的物理、化學性質， 成為物理、化學、材料等學科研究的前沿領域。儲氫合金納米化後同樣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， 具有更高的氫擴散系數和優良的吸放氫動力學性能。
4、碳質材料儲氫
吸附儲氫具有安全可靠和儲存效率高等優點。而在吸附儲氫的材料中，碳質材料是最好的吸附劑，不僅對少數的氣體雜質不敏感，而且可反復使用。碳質儲氫材料主要是高比表面積活性炭（AC）、石墨納米纖維(GNF)、碳納米管(CNT)。
5、配位氫化物儲氫
配位氫化物儲氫是利用鹼金屬(Li、Na、K等)或鹼土金屬(Mg、Ca等)與第三主族元素可與氫形成配位氫化物的性質。其與金屬氫化物之間的主要區別在於吸氫過程中向離子或共價化合物的轉變，而金屬氫化物中的氫以原子狀態儲存於合金中。
6、水合物儲氫
氣體水合物，又稱孔穴形水合物，是一種類冰狀晶體，由水分子通過氫鍵形成的主體空穴在很弱的范德華力作用下包含客體分子組成。
(6)新型儲氫材料擴展閱讀
氫氣可以用作燃料，具有下列特點:
優點
1、資源豐富。以水為原料，電解便可獲得。水資源在地球上相對主要燃料石油，煤也較豐富。
2、熱值高。氫燃燒的熱值高居各種燃料之冠，據測定，每千克氫燃燒放出的熱量為1.4*10^8J，為石油熱值的3倍多。因此，它貯存體積小，攜帶量大，行程遠。
3、氫為燃料最潔凈。氫的燃燒產物是水，對環境不產生任何污染。
缺點
氫氣要安全儲藏和運輸並不容易，它重量輕、難捉摸、擴散速度快，需低溫液化，會導致閥門堵塞並形成不必要的壓力。
Ⅶ 開發新型儲氫材料是氫能利用的重要研究方向。（1）Ti(BH 4 ) 3 是一種儲氫材料，可由TiCl 4 和LiBH 4 反
| （13分） （1）①1（1分） ②C（2分） ③H>B>Li（2分） （2）①<（2分） ②Mg（2分） （3）3（2分） （4）B、C（2分） Ⅷ 開發新型儲氫材料是氫能利用的重要研究方向．（1）化合物A（H3BNH3）是一種潛在的儲氫材料，可由六元環狀
（）①B的最外層電子數為3，能形成的3個共價鍵，化合物A（H3BNH3）中B與H形成3個共價鍵，B原子的空軌道與N原子的孤對電子形成配位鍵；同一周期元素中，元素的第一電離能隨著原子序數的增大而呈增大趨勢，但第IIA族、第VA族元素的第一電離能大於相鄰元素，這幾種元素都是第二周期元素，B、C、N、O的族序數分別是：第IIIA族、第IVA族、第VA族、第VIA族，所以它們的第一電離能大小順序是N＞O＞C＞B；CH4為正四面體結構鍵角為109°28′，H2O分子的空間結構為V形，鍵角為為107°，CO2的空間結構為直線形，鍵角為180°，所以鍵角由大到小的順序為CO2＞CH4＞H2O；
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