储氢技术与材料

现代文明生活的各个方面，无不与能源联系在一起，机器的运转、车辆的行驶、卫星的发射、电信的畅通，乃至日常生活中的衣食住行，都离不开能源。当前的严重问题是作为主要能源的天然气、石油和煤炭由于长期大量开采而面临枯竭的危险。面对越来越严重的环境污染及能源危机，人类面临的紧迫任务是开发非污染而且能够再生的新能源。在诸多新能源中，氢能占有非常重要的位置。氢是一种高发热值、资源丰富的燃料，同时氢燃烧以后生成水，不污染环境，是一种非常干净的燃料；氢还具有易于长期储存、运输过程中无能量损耗及用途广泛等特点，所以说，氢是理想的二次能源，国际社会将其视为21世纪的绿色能源和战略能源。氢能经济已被美国、欧盟、日本、中国等国家及地区列入发展规划，并投入巨资进行氢能相关技术研发，以期在未来氢经济社会占据主动权。

面对这一备受关注、发展迅猛的新兴领域，学习以及总结其研究成果是十分必要的。鉴于此，笔者们编写了此书，以期对读者有所帮助。全书共分7章，由蔡颖等共同编写。其中，第1章由蔡颖执笔；第2章，第4章4.2节的4.2.2、4.3节～4.7节以及第5章由许剑轶执笔；第3章，第4章4.2节的4.2.4以及第7章由胡锋执笔；第4章4.1节，4.2节的4.2.1、4.2.3、4.2.5、4.2.6，4.8节和第6章由赵鑫执笔；全书由蔡颖和许剑轶定稿。

本书可作为材料专业尤其是储氢材料相关行业技术人员的参考书籍，亦可作为高等院校相关专业教学参考书。

本书在编写过程中参考了部分文献，谨此对这些文献作者表示深深的谢意。由于编者水平有限，再加上储氢材料是一门正在发展的新材料，所涉及范围极广，书中不足之处恳请读者批评指正。

蔡颖

2018年5月

第1章 绪论1

1.1概述1

1.2氢能4

1.2.1氢的一般性质4

1.2.2氢的化合物6

1.3氢能的特点8

1.4氢气的制备与纯化11

1.4.1氢气的制备11

1.4.2氢气的纯化23

1.5氢气的储存24

1.5.1气态储存25

1.5.2液化储存26

1.5.3固态储存26

1.6氢气的运输27

1.6.1气氢(GH2)输送27

1.6.2液氢(LH2)输送28

1.6.3固氢(SH2)输送28

1.7氢能经济竞争发展态势29

1.8氢能的应用33

1.8.1直接燃烧33

1.8.2氢燃料电池34

1.8.3核聚变36

参考文献36

阅读资料38

第2章 储氢材料43

2.1储氢材料的定义44

2.2对储氢材料的要求45

2.3储氢材料的分类47

2.4储氢材料的吸氢原理54

参考文献55

阅读资料57

第3章 储氢材料的研究方法60

3.1简介60

3.2表征60

3.2.1X射线衍射分析60

3.2.2透射电镜分析63

3.2.3扫描电镜分析65

3.3储氢性能测试69

3.3.1压力-组成-温度(PCT)曲线69

3.3.2电化学放电容量测试74

3.3.3电化学循环寿命测试76

3.3.4高倍率放电性能测试77

3.3.5交流阻抗测试78

3.3.6动电位极化测试80

3.3.7恒电位阶跃放电测试81

3.4吸/放氢反应的热力学和动力学82

3.4.1吸/放氢反应热力学研究82

3.4.2吸/放氢反应动力学研究84

参考文献89

第4章 储氢合金93

4.1金属储氢原理93

4.1.1离子型或类盐型氢化物93

4.1.2金属型氢化物94

4.1.3共价型或分子型氢化物94

4.2储氢合金的分类95

4.2.1简介95

4.2.2稀土系AB5型储氢合金97

4.2.3AB2型laves相合金105

4.2.4Mg系储氢合金105

4.2.5钒系固溶体合金133

4.2.6新型稀土-镁-镍(RE-Mg-Ni)系储氢合金134

4.3储氢合金的制备136

4.3.1稀土储氢合金常用原料136

4.3.2合金的制取工艺及设备139

4.4储氢合金的热处理技术149

4.5稀土储氢合金的制粉技术150

4.5.1干式球磨制粉技术150

4.5.2湿式球磨制粉技术151

4.5.3合金氢化制粉151

4.6稀土储氢合金的表面处理152

4.6.1表面包覆金属膜153

4.6.2储氢合金的碱液处理154

4.6.3储氢合金的酸处理155

4.6.4储氢合金的氟化处理156

4.6.5表面高分子修饰处理157

4.6.6其他表面处理方法157

4.7储氢合金粉的包装158

4.8储氢合金的应用159

4.8.1镍/金属氢化物(Ni/MH)电池159

4.8.2氢的存储与运输159

4.8.3氢的回收、分离、净化160

4.8.4热能系统及其他领域的应用160

参考文献161

第5章 碳质储氢材料166

5.1吸附理论基础167

5.1.1物理吸附理论基础169

5.1.2化学吸附理论基础173

5.2活性炭储氢材料173

5.2.1活性炭结构及特性174

5.2.2活性炭制备方法178

5.2.3活性炭储氢性能研究190

5.3活性炭纤维储氢材料193

5.3.1活性炭纤维结构及其特性193

5.3.2活性炭纤维制备工艺195

5.3.3活性炭纤维储氢研究198

5.4碳纳米纤维储氢材料198

5.5C60富勒烯储氢材料200

5.5.1C60富勒烯的结构及特性200

5.5.2C60富勒烯的制备及分离提纯201

5.5.3C60富勒烯储氢研究204

5.6碳纳米管储氢材料205

5.6.1碳纳米管的结构及特性206

5.6.2碳纳米管的制备及纯化207

5.6.3碳纳米管储氢214

5.7石墨烯储氢材料222

5.7.1石墨烯的结构及特性222

5.7.2石墨烯的制备224

5.7.3石墨烯的储氢研究现状227

参考文献227

第6章 无机化合物231

6.1轻金属-B-H化合物储氢231

6.1.1LiBH4的合成232

6.1.2LiBH4的结构变化233

6.1.3LiBH4的吸/放氢反应236

6.1.4LiBH4储氢性能的改性研究237

6.2轻金属-Al-H化合物储氢239

6.2.1NaAlH4的合成239

6.2.2NaAIH4的结构特征240

6.2.3NaAlH4的储氢原理241

6.2.4NaAlH4的改性研究241

6.3M-N-H化合物储氢244

6.3.1LiNH2的结构244

6.3.2Li-N-H体系储氢性能的研究245

6.3.3Li2Mg(NH)2的结构246

6.3.4金属-N-H化合物的储氢机理247

6.3.5金属-N-H化合物的储氢性能调控248

6.4氨硼烷类化合物储氢251

6.4.1NH3·BH3性质和分子结构252

6.4.2NH3·BH3热解制氢252

6.4.3NH3·BH3水解制氢254

参考文献256

第7章 有机液体储氢材料259

7.1有机液体储氢的原理、研究目的及尚存在的技术难题259

7.1.1原理259

7.1.2该技术的技术难题262

7.1.3目前研究的目标262

7.2有机液体储氢材料的特点262

7.3有机液体储氢材料的种类263

7.3.1苯及环己烷263

7.3.2甲苯与甲基环己烷264

7.3.3十氢化萘265

7.3.4咔唑265

7.3.5乙基咔唑266

7.4吸/脱氢催化剂269

7.4.1吸氢催化剂269

7.4.2脱氢催化剂270

参考文献272