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金属储氢材料 当今世界，随着传统能源石油、煤炭日渐枯竭，且石油、煤炭燃烧产物二氧化碳和二氧化硫又分别产生温室效应和酸雨危害，使人类面临能源、资源和环境危机的严峻挑战，寻找新的、对环境友好的清洁能源已成为人们的普遍共识。氢作为一种洁净能源，已越来越受到人们的充分重视。作为燃料，氢具有最高的质量热值(其热值大约为143.2MJ/kg，为汽油的3倍、焦炭的4.5倍)，是理想的高能清洁燃料之一。目前，尽管高压(低于17MPa)气态储氢、低温(低于20 K)液态储氢等技术手段使得氢在一些常规燃料和航天推进等领域得以应用，但高压气态氢体积热值小以及低温液态氢液化过程耗能高、使用条件苛刻等问题严重限制了氢作为清洁燃料的应用。 利用吸氢材料与氢气反应生成固溶体和氢化物的固体储氢方式，能有效克服上述储存方式的不足，而且储氢体积密度大、安全度高、使用和运输便利。到目前为止，那些在室温下容易释放氢的金属氢化物，其可逆吸氢量不超过2%，无法满足实际要求。因此，今后储氢研究的重点将是新型高性能储氢材料的研发，目前研究较为广泛的主要是金属储氢材料。 金属储氢原理 传统的氢气存储方式中，气态储氢方式简单方便，是目前储存压力低于17MPa的常用方法，但存在着体积密度小、运输和使用过程中易燃易爆等缺点；液态储氢方法的体积密度(70kg/m3)较高，但氢气的液化需要冷却到20K的超低温下才能实现，此过程需消耗的能量约占所储存氢能的25%-45%，且液态氢使用条件苛刻，对储罐绝热性能要求高，目前只限于航天领域。 金属储氢材料其储氢密度高、安全性好、适于大规模氢气储运，最重要的特性是能够可逆地吸、放大量氢气。氢一旦与储氢合金接触，即在其表面分解为H原子，H原子扩散进入合金内部直至与合金发生反应而生成金属氢化物，氢即以原子态储存在金属结晶点内(四面体与八面体间隙位置) 。 金属储氢原理 在一定温度和氢压强条件下，上述吸、放氢反应式如下式所示： 其中，吸氢过程放热，放氢过程吸热，上述吸、放氢反应过程热力学和动力学与温度、氢压力密切相关，特别是放氢压力与反应温度呈指数变化关系。 金属储氢原理 ·衡量储氢材料性能的两个参量表示 1.体积储氢密度——系统单位体积存储氢气的质量 2.质量储氢密度——系统储存氢气的质量与系统质量的比 值（质量分数） 金属储氢材料 ·金属储氢材料分类 1.合金氢化物材料 2.金属配位氢化物材料 金属氢化物储氢材料主要包括（4大类） ①稀土系 ②Laves相系 ③镁系 ④钛系 稀土系储氢合金 LaNi5具有六方结构 晶体结构（由两种不同结构的层交替堆积而成） 稀土系储氢合金 LaNi5的六方结构，造成晶体中有许多间隙位置，可以固溶大量的氢。（如图） 晶胞中有6个变形四面体空隙（每个空隙由2La+2Ni组成），3个变形八面体空隙（8*1/4+2*1/2=3，每个空隙由2La+4Ni组成）。若全部填上H原子，为LaNi5H9。通常填6个H比较稳定，因此，可能只填在较大的变形四面体中，组成为LaNi5H6。 稀土系储氢合金 研究表明：每个LaNi5晶胞内理论上可以储存18个氢原子，即最大储氢质量分数为1.379%，实测储氢质量分数约为1.35%—1.38%。 优点：LaNi5初期氢化容易，反应速度快，20℃时氢的分解压较低（仅几个大气压），吸放氢性能优良。 缺点：LaNi5储氢合金原材料（La）价格较高、循环退化严重、易于粉化、密度过大等。 稀土系储氢合金 我国王启东等人研制的含铈量较少的富镧混合稀土储氢合金MlNi5(Ml是富镧混合稀土)，在室温下一次加氢100—400MPa即能活化，吸氢量可达1.5%—1.6%，室温下放氢量约为95%—97%，吸放氢滞后压差小于20MPa。同时其动力性能良好，20℃时的吸氢平衡时间小于6min，放氢平衡时间小于20min，并且MlNi5的成本较LaNi5低2.5倍，易熔炼，抗中毒性好，再生容易。 蔡学章等人采用Al、Mn、Si、Sn、Fe等置换Ni以克服合金的粉化，改善其储氢性能。例如，加入Al后合金可以形成致密的Al2O3薄膜，合金的耐腐蚀性明显提高。加入Mn对提高容量很有效，并且可以提高合金的动力学性能，但是其循环性能会受到负面影响。加入Fe，可以使合金具有长寿命、易活化等特点。 Laves相系储氢材料 ·Laves相系（AB2型）储氢材料 立方晶相C15（MgZn2） 六方晶相C14（MgCu2） 双六方晶相C36（NiMg2） ·Laves相系