(完整版)鎂基儲氫材料發(fā)展進展

Mg基儲氫材料的進展一、課題國內外現(xiàn)狀氫能作為一種資源豐富，能量高，干凈無污染的二次能源已經(jīng)引起了人們的極大興趣，隨著“氫經(jīng)濟”（以氫為能源而驅動的政治和經(jīng)濟）時代[1]即將來臨，氫能成為新世紀的重要二次能源已為科學界所廣泛認同。氫能的發(fā)展涉及到很多方面，如氫能技術、工程、生產(chǎn)、運輸、儲存、經(jīng)濟及利用等，其中儲存問題是制約整個氫能系統(tǒng)應用的關鍵步驟，在已經(jīng)探明的儲存方法中，金屬氫化物儲氫具有儲氫體積密度大、安全性好的優(yōu)勢，比較容易操作，運行成本較低，因此，金屬氫化物技術的開發(fā)與研究近年來在世界各國掀起極大的熱潮。其中，由于Mg密度?。?.74g/cm3）、儲氫能力高（理論上可達到7.6wt.%）、價格低、儲量豐富而使之成為一種很有前途的儲氫合金材料。在眾多儲氫合金中，Mg基儲氫合金因其儲氫量大且資源豐富，價格低廉，成為最具潛力的儲氫材料。[2]然而，鎂及其合金作為儲氫材料也存在吸放氫速度慢、溫度高及反應動力學性能差等缺點，因而嚴重阻礙了其實用化的進程。研究表明，將Mg基合金與具有催化活性的添加劑（過渡金屬、過渡金屬化合物、AB5型儲氫合金等）混合球磨制備Mg基合金復合材料是提高Mg基合金吸/放氫性能的有效途徑之一。針對上述Mg基儲氫復合材料的研究，科研工作人員圍繞以下幾個方面展開工作：（1）鎂與單質金屬復合在球磨過程中添加其它單質金屬元素，特別是過渡金屬元素對鎂的吸放氫性能有明顯的改善作用。用于鎂基材料復合的單質金屬元素主要包括Pd、Fe、Ni、V、Ti、Co、Mo等。Milanese等研究了Al、Cu、Fe、Mn、Mo、Sn、Ti、Zn、Zr對鎂吸放氫[3]性能的影響，發(fā)現(xiàn)A1、Cu、Zn有助于鎂的吸放氫，只有Cu能降低MgH2的穩(wěn)定性，從而使其放氫溫度降至270°C。Kwon等球磨MglO%Ni5%Fe5%Ti[4]混合材料，復合后其在300C、1.2MPaH2條件下吸收氫，吸氫時間分別為5min和1h,吸氫量分別為5.31%（質量分數(shù)，下同）和5.51%。初始吸氫速率從200C升到300C時增長較快，但在350C時開始下降，放氫速率從200C升到350C時速度快速增長。他們認為添加的Ni、Fe和Ti元素能夠產(chǎn)生活性點，并降低顆粒粒度，從而減少氫原子的擴散距離，形成新的高活性表面。同時，Ni、Fe、Ti也起到活性基點的作用，并能在球磨過程中創(chuàng)造缺陷，這些缺陷可以起到活性基點的作用，產(chǎn)生裂縫并能降低顆粒粒度。Varin等在鎂中添加0.5%~2.0%的納米鎳粉進行球磨儲氫，結果表[5]明，球磨70h后，MgH2的粒徑只有11~12nm,當鎳的添加量增加到2%時，儲氫速率明顯加快，球磨15h,儲氫密度就可達到6.0%以上；與MgH2相比，放氫溫度降低了50°C,放氫速度也有所加快，300°C時17min放氫量可達5.0%，與純鎂的吸放氫相比，其動力學性能得到了較大改善。添加金屬改善鎂儲氫性能的機理主要有以下幾點：活性金屬能在球磨過程中創(chuàng)造缺陷同時起到活性點的作用，促進鎂的吸放氫；抑制鎂顆粒的團聚；起到催化作用，改變反應路徑或者促進H2的擴散及解離過程等。（2）鎂與化合物復合金屬氧化物能在機械球磨過程中改善MgH2的動力學性能。普遍認為是由于它們對鎂顆粒表面的氫脫離和結合有催化作用，加速了氣固相反應。Oelerich等將多種金屬氧化物（Sc2O3、TiO2、V205、Cr2O3、Mn2O3、Fe304、CuO、[6]Al2O3、SiO2）與MgH2混合球磨后發(fā)現(xiàn)，除SiO2外其余氧化物均能不同程度地改善其吸放氫性能，其中添加Cr2O3時吸氫速率最快，而添加V2O5和Fe3O4時放氫速率最快。Ares等用MgO證明氧化物對金屬鎂儲氫具有明顯的改善[7]作用，MgH2與MgO—起球磨后，無論是吸氫過程還是放氫過程較未添加MgO時都有明顯的改善。金屬間化合物如LaNi5、Mg2Ni等也能明顯改善Mg的儲氫性能。Liang等利用球磨法制備了Mg-x%LaNi5（x=10、20、30、50）復合材料。球磨[8]30min制備的Mg-30%LaNi5在1MPa、300C條件下儲氫，儲氫密度為4.3%；而皿g-50%LaNi5在長時間球磨后轉變?yōu)镸g+LaHx+Mg2Ni復合物，250C時500s內儲氫密度可達到2.5%，300C時儲氫密度達到最大值4.1%。其動力學性能得以改善的原因是復合物相界面的增加，以及多孔結構加快了其吸氫速度。鹵化物（NaF、NaCl、MgF2和CrCl3）的添加能對Mg和Mg-Ni合金的吸放氫行為產(chǎn)生積極的影響。鹵化物與Mg或Mg-Ni合金機械合金化不僅促進[9]了金屬Mg的細化，而且修飾了金屬Mg的表面，從而促進了吸放氫反應，特別反映在第一次氫化動力學上，這是由于鹵化物能破壞金屬表面的氧化層。Xie等研究了納米[10]MgH2顆粒添加5%的TiF3在氫氣氣氛下球磨后的儲氫性能，在300C、初始氫壓為100Pa條件下，樣品6min內放氫量為4.5%，在室溫、2X106Pa氫壓下，其lmin吸氫量為4.2%。他們認為氫分子的分子軌道與金屬Ti的d層電子軌道發(fā)生強烈的交互作用，使得其活化勢壘降低，從而在低溫下能吸放氫。（3）鎂與碳材料復合碳材料如碳納米管、石墨納米纖維等具有較大的孔隙率和比表面積，且本身具有在低溫下儲存氫的能力，是一種潛在的儲氫載體。自發(fā)現(xiàn)石墨能有效提高鎂的儲氫性能以來，鎂碳復合儲氫就得到了越來越多的研究，許多學者試圖制備出具有協(xié)同作用的鎂碳復合材料，以獲得介于二者之間的吸放氫溫度。目前所研究的碳材料主要有石墨、碳納米管、煤等。Chiaki等采用球磨法制備了MgNi-石墨復合物，其最大放電容量為[12]510mAh/g，認為石墨與MgNi合金的作用發(fā)生在表面層，石墨給合金表面提供電子并在Mg、Ni間重新分配，使合金表面發(fā)生化學態(tài)變化，Ni更容易從原合金中離析出并偏析至表面從而使表面層的Ni/Mg比增加，導致復合物的吸氫能力增強。Imamura等在苯中球磨石墨和鎂，10h后復合材料的吸氫[13]溫度比純鎂低100°C，發(fā)現(xiàn)這種鎂碳之間的協(xié)同作用被歸因于充當球磨介質的溶劑的質子親和作用。于振興等采用機械合金化方法，以氫氣作為保護氣氛（0?5MPa），通過[14]添加碳納米管，制備出含有碳納米管的鎂基儲氫材料（Mg-3Ni-2Mn02-0.25CNTs）。其儲氫容量達到7.0%,吸氫過程在100s內完成，在0.1MPa條件下放氫過程可在600s內完成，放氫平臺溫度為280C。他們還發(fā)現(xiàn)，添加碳納米管后，可以提高鎂基儲氫材料的球磨效率，顆粒更加細化均勻。Lillo-Rbdenas等將石墨、活性炭、多壁碳納米管、碳納米纖維等混合球[15]磨，發(fā)現(xiàn)碳材料能減小球磨MgH2的粒度，阻止其粒度長大，降低放氫溫度，其中多壁碳納米管和碳納米纖維在鎳和鐵的催化下將MgH2的高峰放氫溫度降低到341C和322C。閆曉琦等在Mg系合金中添加碳納米纖維（CNF）進行儲氫[16]實驗，結果表明，其儲氫性能較純CNF和純MgNi合金都有很大提高，并提出了儲氫機理：儲氫過程中，合金表面催化裂解產(chǎn)生的氫以原子態(tài)形式儲存在合金中，再向CNF中轉移，并以分子態(tài)形式儲存；放氫過程中，分子態(tài)的氫進入合金中形成原子態(tài)的氫，再在其表面聚合成為分子態(tài)的氫。無煙煤由于低成本、易粉碎、分散性能好等特點在鎂基復合儲氫材料中也不斷得到重視。Deepa等在環(huán)己烯中，通過反應球磨法制備了無煙煤-鎂復[17]合材料，在常壓、1273K時析氫量為0.6%，由程序控制溫度脫附儀聯(lián)合質譜儀（TPD-MS）測定了析氫量，認為其是由環(huán)己烯在球磨過程中脫除的。對球磨制得材料放氫后進行了吸氫研究，結果表明，吸氫過程是可逆的，在室溫和常壓下快速吸收0.3%?0.54%的氫氣，球磨后結構沒有完全飽和。盧國儉等[18]利用無煙煤制備微晶碳并將其與鎂在氫氣氣氛下球磨，結果表明，微晶碳具有類似石墨的結構，較易磨至納米級，層片之間能夠儲氫。同時微晶碳是鎂的高效助磨劑，添加40%(質量分數(shù))的微晶碳，球磨3h,即可將鎂磨至20~40nm；添加微晶碳和鋁能降低儲氫材料的放氫溫度。目前雖然還不清楚碳材料改善鎂儲氫的機理，但普遍認為是由于球磨時碳能有效降低顆粒粒度，增加比表面積，同時能阻止氧的擴散，從而阻止氧化層的形成并破壞已有氧化層，增加活性點數(shù)量，提高氫化動力學性能。總之，碳材料對鎂基儲氫的作用較為復雜，依賴多種因素，如添加量、球磨時間、碳材料與氫的交互作用等。二、研究主要成果綜合近年來對Mg基儲氫材料的研究，主要進展情況如下：鎂與單質金屬復合，金屬單質起到活性點的作用，能促進鎂的吸放氫，抑制鎂顆粒的團聚，祈禱催化作用，改變反應路徑或者促進H2的擴散及解離過程；金屬氧化物在機械球磨過程中改善MgH2的動力學性能。無論是吸氫還是放氫過程較未添加金屬氧化物時都有明顯的改善。金屬間化合物也能明顯改善Mg的儲氫性能。因為生成的復合物相界面增加，以及多孔結構加快了其吸氫速率。鹵化物的加入能對Mg的吸放氫產(chǎn)生積極的影響。鹵化物與Mg的機械合金化不僅促進了金屬Mg的細化，而且修飾了金屬Mg的表面，破壞了金屬表面的氧化層，從而促進了吸放氫反應；添加碳納米管可以提高鎂基儲氫材料的球磨效率，顆粒更加細化均勻，從而降低放氫溫度。通過吸/放氫動力學測試發(fā)現(xiàn)，儲氫復合材料的吸氫速率相對純MgH2有所提升，儲氫復合材料與純MgH2的儲氫量相比雖然有所降低，但儲氫復合材料的吸/放氫動力學性能與純MgH2相比，得到了極大的改善。三、發(fā)展趨勢：當今對于MgH?儲氫性能的研究方向主要集中在保持其儲氫量的前提下,調整添加劑含量以降低其吸放氫溫度、提高吸放氫速度，改善其吸放氫動力學性能。鑒于目前的發(fā)展狀況，今后以MgH2為基體的儲氫材料發(fā)展方向及研究重點主要是：進一步探索能夠改善MgH2儲氫性能的添加劑，并通過研究其在吸/放氫前后的結構變化，揭示添加劑的催化機理；將MgH2與添加劑或其他儲氫材料制備得到儲氫復合材料，以改善其綜合儲氫性能，并探索制備儲氫復合材料的方法及工藝；通過表面改性處理，來改變復合材料的表面狀態(tài)，使復合材料的固有性能得以充分的發(fā)揮，進一步提高復合材料的綜合性能。四、存在問題MgH2基儲氫材料主要存在以下問題：儲氫材料的制備方法種類繁多，并且得到的儲氫材料具有不同的微觀結構，較難控制并得到具有穩(wěn)定儲氫性能的儲氫材料；在復合材料制備的過程中有Mg相的生成，使得球磨效率降低；吸放氫動力學性能差；目前可供選擇的催化劑種類較少。MgH2基儲氫材料的上述缺點限制了它的實際應用，探索不同的添加劑對MgH2儲氫性能的影響，以改善MgH2的儲氫性能，獲得具有實際應用價值的新型儲氫復合材料。五、主要參考文獻胡子龍.貯氫材料.北京:化學工業(yè)出版社,2002.3-7欒道成.貯氫合金的應用研究進展.四川工業(yè)大學學報,1993,9(4):44-51MilaneseC,GirellaA,BruniG.Hydrogenstorageinmagnesium-metalmixtures:Reversibility,kineticaspectsandphaseanalysis.JournalofAlloysandCompounds,2008,465(1-2):396-405KwonS,BaekS,MummDR.Enhancementoft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