储氢材料研究现状及发展前景

摘要：氢能作为21世纪最具发展潜力的新能源，具有安全、高效、清洁、可持续等优点。由于缺少安全、高效、可实用储氢材料，氢能如今难以得到很好应用。本文综述了近几年国内外储氢材料及储氢技术最新进展，包括各种材料的储氢性能，研究现状及发展前景。

关键词：储氢材料;氢能;研究进展

1 绪论

随着经济全球化和人民生活水平的提高，人类对能源的需求与日俱增。能源是社会发展的推动力，目前，世界使用的主要能源为煤、石油、天然气等。但这些均为不可再生资源，同时燃烧时会造成环境污染、全球变暖、雾霾等一系列问题，影响人们的生存环境。人类需发展新型的清洁高效能源取代传统化石燃料。氢能作为化石燃料的首选替代品，引起世界各国密切关注，氢能应用技术正迅速发展[12]。

2 储氢材料的研究现状

2.1 气态储氢

目前，国内外一般采用高压来实现氢气的储存，技术比较成熟，应用较为广泛。高压储氢容器在常温环境下即可进行使用，压力容器一般为10～15MPa，但储存氢气的质量不足容器质量的1w%，暴露了高压储氢效率低、储存量少等缺点，同时对容器的耐压性能较高，容器重量大，增加了运输和使用过程风险。气态储氢技术的关键难题是研发性能良好、安全高效的储氢容器。

2.2 液态储氢

液态储氢是在低温条件下，将氢气进行液态储存，其优点是储氢量大，储氢能量密度高，常温常压下，液氢的密度为气态氢的845倍。然而，液态储氢成本高、耗能大，并且需要做好绝热措施，难以实现大规模应用。

2.3 金属氢化物储氢

目前，研究表明，在金属氢化物中，堿金属氢化物有较好的储氢性能。常温常压下，氢气释放是不可逆过程，但在一定的温度和压力条件下，金属氢化物对氢气的储存和释放过程是可逆的。金属氢化物储氢具有储存量大、安全高效等优点，因此具有很好的研究价值[1]。

2.3.1 镁系储氢材料

镁系储氢材料以MgH2为典型代表，其密度小、无污染、价格低、储氢量大，理论储氢质量分数达7.6%，是目前新型储氢材料的重点研究对象。但镁系储氢材料的缺点是吸/放氢动力学性能差，放氢温度高。毛键峰等[3]通过对MgLiBH4复合体系进行研究，发现了LiBH4能够有效地提高Mg吸/放氢动力学性能，实验表明，在300°C下，MgLiBH4的吸氢质量分数达到6.5%仅需不到20分钟，为镁基储氢材料成为燃料电池汽车的氢源打下了坚实的基础。

镁系储氢材料虽然储氢量大，但单独使用吸/放氢动力学性能不理想，因此提高放氢速率，降低放氢温度是诸多国内外学者正在解决的问题，加入其他物质，改变Mg表面催化，制成镁系复合材料，是如今镁系储氢材料主要研究对象[4]。

2.3.2 锂系储氢材料

LiBH4是锂系储氢材料的代表，是一种有吸引力的可逆储氢材料，可以存储13.8wt.%氢气。然而，高的热力学稳定性和动力学限制阻碍了它在中等条件下释放和吸收氢的能力。目前研究表明，MgH2是最有前途的去铁锂化剂之一，与LiBH4进行物质的量为1∶2混合球磨，形成的氢化物复合材料在350℃左右开始释放氢，并在500℃以下完成。此外，其他过渡金属氟化物和氯化物添加剂通过机械铣削掺杂到2LiBH4MgH2中，可使脱氢温度低于纯2LiBH4MgH2。

2.4 液态有机储氢材料

液态有机储氢是通过不饱和液体有机物与氢进行可逆反应，即脱氢反应和加氢反应[1]。液态有机储氢具有储氢量大，可重复利用，储运安全等优点。目前，常用的有机材料是烯烃、炔烃、芳烃等不饱和有机液体，但从储存过程的能耗，储氢量等方面考虑，最佳的储氢溶剂为芳烃，是一个理想的有机储氢材料[4]。

2.5 碳质储氢材料

碳质储氢材料具有易解吸、吸氢量大、质量轻等特点，是一种非常具有应用前景的物理吸附储氢方式，其中活性炭储氢最为突出。

活性炭的储氢机理是依靠材料的孔隙结构、比表面积和表面官能团。研究表明[4]，在常压和低温条件下，活性炭的储氢量与其比表面积和微孔孔容成正相关关系，孔径在0.6～0.7nm时对储氢量的贡献最大，储氢质量分数可达到6%～7%。随着压力的不断升高，储氢量也会不断增大。Yury Gogotsi等[5]发现当压力达到6MPa时，活性炭的储氢机理将会发生改变，孔径大于1.5nm的孔对储氢的贡献很小，另外，孔分布对储氢量的贡献远大于表面官能团。

3 结语

目前储氢材料研究已经取得了很多重大突破，为储氢材料的研究开拓了新的领域。未来储氢材料研究发展的新方向是以开发安全高效的复合储氢材料为前提，实现储氢材料的规模化制备与可循环利用。经过国内外研究者的共同努力，相信氢能在时代中将会扮演重要的角色。

参考文献：

[1]杨静怡.储氢材料的研究及其进展[J].现代化工，2019，39（10）：5155.

[2]林静，赵东江，王立民.储氢材料及研究进展[J].绥化学院学报，2017，37（08）：141145.

[3]毛建锋.LiBH_4改善镁吸氢性能的研究[C].中国可再生能源学会氢能专业委员会.第七届全国氢能学术会议论文集.中国可再生能源学会氢能专业委员会：中国可再生能源学会，2006：365367.

[4]黄红霞，黄可龙，刘素琴.储氢技术及其关键材料研究进展[J].化工新型材料，2008（11）：2729+57.

[5]张靖，张存满，辛海峰，万术伟，马建新，章道彪，陈诚.活性炭储氢材料研究进展[J].太阳能学报，2012，33（09）：16341640.

作者简介：张鹏（1999—），男，山东泰安人，现于山东科技大学攻读学士学位，目前主要从事于化学工程与工艺相关的专业研究。