节能能源氢

多孔Pc板材的储氢重量密度可以达到4.6wt. %，完全可以达到美国能源部2010年制定的4.3 wt. %这一目标。而且，如果钪原子能够均匀的分布于Pc板材之中，那么钪原子还会拥有另外两种优越特性。首先，钪原子要轻于其它过渡元素，因此由其制造的储氢材料会十分的轻便；第二，钪原子尺寸很大，从而能够捕获更多的氢分子。并且，理论上已经证明这种Sc-Pc多孔板材能用于制造性能更加优越的储氢材料，研究人员希望这个结果能够激励后续的分析和测试，制造出这种极具前景的储氢材料。

2.3 碳质材料储氢

碳质材料是近几年来出现的吸附储氢材料，它具有储存效率高和安全可靠等优点。而在碳质材料不仅对少数的气体杂质不敏感，而且可反复使用。碳质储氢材料主要是高比表面积活性炭（AC）、石墨纳米纤维(GNF)、碳纳米管(CNT)和碳纳米管(CNT)。

2.3.1 活性炭吸附储氢（AC）

活性炭储氢主要是利用高比表面积的活性炭作吸附剂的吸附储氢技术。它的特点在于具有经济、储氢量高、表面活性快（即解吸快）、循环寿命长、容易实现规模化生产等优点，是一种很具潜力的储氢方法。但是活性炭在较高得吸氢量下对应的温度较低，从而使其在应用上受到很大限制，所以人们便把目光转向了储氢性能更好的碳纳米管和炭纳米纤维方面。

2.3.2 纳米级碳质材料

2.3.2.1 石墨纳米纤维（GNF）

石墨纳米纤维是一种截面呈十字型的石墨材料，其面积为(30~500)×(10~20)m2之间，长度为10μm~100μm之间。它的储氢能力取决于它的直径、结构和质量[18]。在最开始，石墨纳米纤维被认为是一种较高的储氢材料。但经过Strobel、Hirscher等对GNF的研究发现，石墨纳米纤维具有很大的限制，它在室温、12MPa条件下，其最大储氢量只达到1.5%，并且GNF很难实现高密度储氢。

2.3.2.1 碳纳米纤维（CNF）

碳纳米纤维最大的优点是储氢容量高，毛宗强等在对碳纳米纤维进行研究时发现，在室温、10MPa条件下，它的储氢量可以达10%。Fan等对催化浮动法制备的炭纳米纤维进行研究，试验发现在室温、11MPa条件下，其储氢量为可达12%。但是碳纳米纤维的成本较高，循环使用寿命较短，这限制了它的产业化、规模化。

碳纳米管是当前人们研究最多的碳质储氢材料，它具有储氢量大、释氢速度快、常温下释氢等优点。所以，它被认为是有广阔发展前景的吸附储氢材料。它分为单壁碳纳米管(single-walledcarbonnanotube，SWNT)和多壁碳纳米管(multi-walledcarbonnanotube，MWNT)。

2.4 水合物储氢 P21 22

气体水合物，又称孔穴形水合物，它是一种类冰状的晶体，由水分子通过氢键形成的主体空穴在微弱的范德华力作用下包含客体分子组成，其一般的反应方程为：R+nH2O----R·nH2O(固体)十△H（反应热）

水合物通常的有3种结构，具体见图2和表2。有很多的气体或易挥发性的液体都能在一定的温度和压力条件下和水生成气体水合物，如天然气、二氧化碳及多种氟里昂制冷剂。

2.4.1 水合物储氢

水合物储氢具有很多优点：首先，储氢和放氢过程完全互逆，储氢材料为水，放氢后产物也是水，对环境没有污染，水在自然界中大量存在并价格低廉；其次，形成和分解的温度压力相对较低、速度快、能耗少。粉末状冰形成氢水合物只需要几分钟，块状冰形成氢水合物也只需要几小时；而且水合物分解时，因为氢气是以分子的形态包含在水合物的孔穴中，所以只需要在常温常压下氢气就能够从水合物中释放出来，分解过程中能耗少且非常安全。因此，研究水合物储氢是很有意义的。

研究人员通过水的相变过程的模拟，在研究过程中发现，当冰晶受热进行融化时，水分子将会脱离冰晶构架，并且形成一种贯穿晶体结构的微小通道，而这些通道可以储氢。当达到150开氏度时六边形的冰晶结构可以储存自身重量3.8%的氢，这要比MOF材料1.3%的储氢量高很多。

加州理工学院的WilliamGoddard与其同事TodPascal和ChristopherBoxe使用量子力学建模与高性能统计分析软件得出了一个结论：冰的六边形晶体结构可以高效储氢，并且储氢效率要高于现有储氢材料。经过研究人员的模拟实验，结果切实证明了这种方法的可行性。

但是这种方法仍然有一些的工程学的障碍需要克服，例如冰的表面晶体结构容易分解，所以在装载氢气之前应将进行碾碎，将完整的晶体结构暴露在外。这种储氢系统在装载冰和氢后重量会有所增加，这将会降低储氢系统的储氢效率。而且，创造一种加载高表面积冰的系统，并使之正常维持使用是一件十分困难的事，所以这种方法还需要大量的验证试验来证明其可行性。

2.4.2 化学＋水合物联合的方式储存氢气

化学＋水合物联合储氢的时候，除了将分子形态的氢气束缚在水合物主体孔穴中外，还要求在主体孔穴上含有以原子形态存在的氢元素。图4给出了该过程的示意图。（图四不知道在哪）

使用化学+水合物联合储氢的话，能使材料的氢储量大大的增加。

2.5

2.5.1 氨基化合物 P24 12

中科院大连化学物理研究所的研究员人员开创了金属氨基化合物储氢。后来陆续研究出了十几种衍生物，其中以Mg(NH2)2/2LiH储氢体系的性能最为优越。它不仅有较高的储氢容量，还有更好的热力学性质（根据热力学计算，该体系可

在低90℃的条件下吸/放氢）。但是因为存在较大的动力学阻力，导致操作温度往往高180℃。

到了2009年，该研究组构思了一条新的思路，他们向该体系中加入了少量的氢化钾，使其反应动力学性能得到了显著改善，吸放氢的温度可降低至110℃，这已经非常接近质子交换膜燃料电池的操作温度。这项成果对于催化异质固相反应的研究具有重要的意义。

2.5.2 铵基 P12

铵化合物作为高含氢物质，对它的研究虽然开展较早，但因为此前脱氢反应温度均在400℃以上，导致其进展有限。中科院大连化物研究所复合氢化物材料化学研究组首次采用钴基纳米催化剂，让该体系内正负氢离子的完全结合，释放出了17.8%（重量比）的氢量，这是首次在较低温度下（100℃~250℃）实现最高脱氢量。这使得铵化合物作为氢源之一有望在移动式氢源系统方面拥有更好的应用前景。

2.5.3 锂离子擒杂技术 P31

锂离子掺杂技术能够提高微孔共轭聚合物对氢气的吸附焓，从而能够提高材料的储氢量。通过理论模拟发现，锂离子对于氢气有增强的吸附作用，使氢分子能够更牢固地吸附在微孔材料中。研究表明，当锂离子在掺杂比例为0.5wt%时，储氢能力最强，对氢气的吸附焓能达到8.1KJ/mol。该材料在77K和1bar条件下，储氢量高达6.1wt%，创造了同等条件下的储氢的纪录，远远高于碳纳米材料（3.0wt%）和金属框架化合物（2.5wt%）。

2.5.4 有机材料 P26 2.5.4.1 “发酵粉”

MatthiasBeller及其研究团队研发出一种新的储氢材料，以简单甲酸、甲酸盐和碳酸盐即可实现简单、安全储氢。德国罗斯托克的研究团队使用了一种特殊的钌催化剂，它能够催化氢的存入与释放，并且将二氧化碳与氢分离。在这个过程中氢由无毒的甲酸盐释放，二氧化碳则以碳酸氢盐的形式被捕集。所以这种储氢材料具有处理方便、易溶于水，反应所需条件要比甲烷或甲醇温和的多，在室温或更低的温度下就可以做到简单放氢等优点。更重要的是以现在的技术完全可以实现封闭的碳循环，并且生成的碳酸氢盐，使得可以重复载氢。

2.5.4.2 生物质晶体 P30

第 三 章 储氢材料交流发展 P6 DOE发起储氢材料交流中心

美国能源部(DOE)的能源效率和可再生能源办公室(EERE)发起了一个综合性的储氢材料资料库，收集和传播材料信息，加速先进材料的研发。内容包括DOE/IEA(国际能源署)“氢公园（Hydpark）”资料库、卓越储氢材料中心和燃料电池技术项目等信息。

因为该资料库是一个完全免费的信息来源，所以通过成千上万条材料属性表和参考物等技术知识基础，能够加速先进储氢材料的发展。

DOE组织了一场网络研讨会，对该资料库进行了讲解和试运行。会上解答了使用者的问答和反馈，让使用者对如获取和筛选信息、上传新材料属性资料和进行相关搜索等操作进行了了解。

该资料库受到DOE和圣地亚国家实验室和IEA氢能实施协议第12项工作的资金支持，其内容包括大量的氢化物合金扩展资料、选定的储氢元素和合金的详细工程属性和氢化物应用。IEA氢能实施协议第12项工作是专门针对开发新储氢介质的研发工作，尤其是对于适用氢能燃料汽车的材料的研发工作。

该资料库经过一年多的脱机运行之后，终于向全世界的研究机构敞开了大门。在来自19个国家、40多个实验室的研究者们，同DOE团结合作，一起开发出很多先进的储氢材料，获得非凡的成果。而这个资料库对这些成果在全世界的传播和共享中起到积极的作用。