碳材料在镁基固态储氢领域中的应用进展

镁基储氢材料因其理论储氢密度高(MgH_(2),7.6%(质量分数))、来源广、成本低的特点,被认为是最具应用前景的固态储氢材料之一。但MgH_(2)的放氢焓值高(75 kJ/mol)、放氢温度高(>380℃),造成其动力学和热力学性能差,限制了在固态储氢领域的应用和发展。近年来,碳材料因结构多样化、可调控性强、比表面积大、力学性能高和电子传输能力强等优势,在镁基储氢材料的掺杂改性、纳米限域等方面应用广泛,可以有效改善吸放氢温度、循环性能和吸放氢活化能等性能指标,并取得了大量成果。本文主要针对碳材料在镁基储氢材料中的研究现状,归纳了碳材料的合成和改性方法,重点阐述了不同维度碳材料在镁基储氢领域的应用进展,并展望了未来的发展方向。

固体储氢材料研究进展及展望

围绕物理吸附和化学吸附储氢材料制备及研究技术,总结归纳了碳基材料、有机多孔材料、氢化物材料、金属材料作为储氢材料的研究进展,对比分析了不同材料的储氢容量及优缺点,为固体储氢材料的应用提供了有效的分析数据。最后总结了固态储氢材料目前的技术难点,展望了该材料未来的发展方向。

镁基储氢材料改性研究进展

氢气的高效安全储运是发展氢能源经济迫切需要解决的问题。金属镁在地壳中含量丰富,其氢化物(MgH_(2))分子含氢量达7.6%,是含氢量最高的、可循环吸放氢的简单金属氢化物,体积储氢密度(110 kg/m^(3))高于液态氢,作为固体储氢介质一直备受关注。然而,MgH_(2)的热力学性质稳定,氢化反应焓变为-75 kJ/mol H_(2),0.1 MPa平衡分压温度在300℃左右,远高于质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)实际工作温度。近几十年来,为了改善MgH_(2)的吸放氢性能,各国研究人员进行了大量研究工作,在提高镁基材料储氢性能上取得了巨大进步,特别是材料的纳米结构化产生的尺寸效应使镁基材料储氢性能已趋于实用化要求。首先介绍镁基固体储氢材料特性,然后分类介绍提高储氢性能的原理、效果和存在的问题以及发展趋势。

镁基储氢材料水解制氢研究进展

化石能源的广泛使用使得地球上出现了严重的温室效应和空气污染,且化石能源的储量也逐步下降,造成的能源危机日益严重。为了应对这些挑战,人们开始着力寻找清洁无污染的高效可再生能源。氢能因具有超高的燃烧热及零排放的特点而被认为是最理想的清洁能源。镁基储氢材料因具有高的质量储氢密度,且因镁的地壳含量高、成本低等优点而备受关注。镁基储氢材料水解可以产生高纯度的氢,而且副产物对环境无污染,因此被认为是最有应用前景的制氢方式之一。纯Mg和MgH_(2)水解可以分别产生6.4%和3.4%(质量分数)的H_(2),但镁基储氢材料水解反应产生难溶于水的Mg(OH)_(2),导致其反应动力学缓慢。近年来,通过将金属、金属氢化物与镁基储氢材料进行复合或者在水解反应时添加酸和无机盐等手段有效提高了氢产率和反应动力学性能。综述了镁基储氢材料水解制氢的最新研究进展,并对其未来的发展提出了展望。

基于物理吸附储氢材料的研究进展

氢能是可持续的二次清洁能源,在规模化应用的进程中,氢气的储运技术是制约氢能产业链发展的关键因素。物理吸附储氢技术是未来氢气安全应用的重要途径之一,但仍需克服储氢容量低和室温储氢难的技术难题。围绕物理吸附储氢技术研究,总结归纳了碳基材料(如活性炭、石墨烯、碳纳米管、介孔碳和碳气凝胶)、有机骨架材料[如金属有机骨架材料(MOFs)和共价有机骨架材料(COFs)]、水合物3类作为储氢材料的研发历程和研究进展,介绍了各类材料在提升储氢容量方面的研究成果和技术手段,同时分析了上述物理吸附储氢材料的储氢原理和在氢气储运利用上的技术特点,对比基于不同物理吸附机制的储氢材料优缺点,为氢储运技术应用提供进一步应用分析依据。最后针对未来固态储氢的发展趋势和目前的技术瓶颈,对物理吸附储氢技术突破点和发展方向提出建议。物理吸附储氢技术虽然具有明显的技术瓶颈,但与其他储氢技术结合形成复合储氢体系,仍然具有很好的协同效应,帮助提高储氢效率、改善吸放氢动力学和热力学性能,是储氢领域必要的技术分支。

镁基储氢材料的性能及研究进展

镁基储氢材料具有储氢容量高、价格低廉、在自然界中镁资源丰富等优点,被认为是最具有发展前景的一类固态储氢材料。由于MgH_(2)稳定性好且放氢焓值高(75kJ/mol H_(2)),氢分子在Mg表面解离能高及氢原子在镁晶格中扩散速率慢,导致吸放氢热力学稳定、动力学缓慢,从而限制了其在储氢方面的应用。对于镁基储氢材料性能的改善,目前已经取得了许多研究成果。本文综述了国内外镁基储氢材料的研究报道,归纳了镁基储氢材料的改性方法,重点阐述了合金化、纳米化和添加催化剂对于优化和改善热力学和动力学性能以及吸放氢机理的影响。最后对该领域的研究成果和发展前景进行了总结和展望,基于现有分析认为,在未来的研究中可以综合运用添加催化剂和纳米化改性双重机制对MgH_(2)体系热力学性能进行调控,以获得具有高容量、高性能的Mg/MgH_(2)储氢体系,满足商业化应用的要求。

新型镁基固态氢存储材料通过鉴定

由上海铼恩氢能科技有限公司研发的纳米碳镁基固态氢存储材料,是一种在低压(储氢压力为0.3~0.7 MPa)、常温下储存固态氢的材料,具有安全性高、高容量优势。该产品为可逆固态储氢纳米碳镁基金属复合材料,应用超微颗粒制造技术,基于金属材料粒子与氢粒子的电子交互跃迁原理,使氢分子成为固态氢粒子,大幅缩小氢分子的体积,储氢体积密度达到116 kg H_(2)/m^(3)(水容积)。

镁基储氢材料研发与中试

由重庆大学、宝钢金属公司、云海金属公司联合推进的“中温高密度低成本镁基固态储氢材料产品研发与中试”项目于2023年5月正式启动,为氢能源供应提供更安全可靠的解决方案,助推镁工业的规模化发展和低碳绿色社会的早日到来。

一种镁基储氢材料及其制备方法

本发明属于储氢材料技术领域,具体涉及一种镁基储氢材料及其制备方法。本发明所述氢化镁储氢材料,采用了熔融金属喷射沉积技术制得颗粒尺寸均匀的镁粉微球,颗粒粒径小且均匀,相比传统研磨法制得镁粉,具有更大的表面积;随后在镁粉和石墨处于悬浮运动状态的情况下完成了混合和加氢反应处理,所得氢化镁与石墨混合均匀性好,产物粒径小且均匀,可有效提高氢化镁储氢材料的氢气脱附/吸附性能。

镁基储氢材料的研究进展

对近几十年来镁基储氢材料的研究历史做了简单的回顾 ,并对镁基储氢材料进行了合理的分类 ,将其分为镁基合金材料体系和镁基复合材料体系 ;分别对合金材料和复合材料的储氢性能进行了系统的阐述 ,指出现有的技术手段已经能够制备具有优异充放氢性能的镁基储氢材料。对镁基储氢材料的应用现状进行了综述 ,总结了现有的镁基储氢材料储氢器以及镁基储氢材料电化学性能的研究现状 。

镁基储氢材料的研究进展

从镁基储氢材料体系入手,综述了该体系的研究情况及近期进展.对镁基储氢材料进行了合理的分类,将其分为单质镁储氢材料、镁基储氢合金和镁基储氢复合材料.并结合各类镁基储氢材料的国内外研究状况,指出要改善镁基储氢材料的储氢性能,必须走多元合金化的路线并在学习有关理论的基础上,采用优化合金成分与新的合成方法来进一步提高材料的储氢性能.

添加碳纳米管镁基材料的储氢性能

用机械合金化方法,以氢气作为保护气氛(0.5MPa),通过添加碳纳米管,制备出含有碳纳米管的镁基储氢材料(Mg3Ni2MnO20.25CNTs)。结果表明:该材料具有优异的储氢性能,储氢容量达到7.0%;动力学性能也得到提高,吸氢过程基本在100s以内完成,在0.1MPa下放氢过程可在600s完成,放氢平台温度在280℃左右。添加碳纳米管,镁基储氢材料在机械球磨过程中,可以提高其球磨效率,颗粒更加细化均匀,传质与传热性能得到改善,该材料具有良好的应用前景。

镁基储氢材料的研究进展与发展趋势

对近年来镁基储氢材料的研究开发概况、制备技术以及应用研究等方面进行了系统阐述,分析了影响镁基储氢材料储氢性能的主要因素,总结了采用机械合金化法、储氢合金组元部分替代、添加催化剂制成复合材料及表面改性等方法可以有效改善储氢性能,并对镁基储氢材料研究中存在的问题以及今后的发展方向进行了探讨与展望。

镁基储氢材料对AP/Al/HTPB复合固体推进剂性能的影响

用差示扫描量热仪(DSC)研究了镁基储氢材料(Mg2NiH4,Mg2Cu-H和MgH2)对高氯酸铵(AP)及AP/Al/HTPB复合固体推进剂热分解性能的影响。结果表明,含量5%的镁基储氢材料对AP热分解过程具有明显的催化促进作用。含量1.3%的镁基储氢材料可以降低AP/Al/HTPB复合固体推进剂热分解过程的热分解温度,使分解热明显增加,表现出显著的增强促进作用。燃速测定结果表明,在8MPa下,含量1.3%的Mg2NiH4,Mg2Cu-H和MgH2可以分别使AP/Al/HTPB复合固体推进剂的燃速提高3.5%、14.4%和13.9%。镁基储氢材料对AP和AP/Al/HTPB复合固体推进剂热分解的作用效果与其含氢量有关,MgH2的含氢量大,作用效果好。镁基储氢材料主要通过催化AP/Al/HTPB复合固体推进剂中AP的热分解,表现出对AP/Al/HTPB复合固体推进剂热分解具有较好的催化效果。

镁基复合材料(Mg-Ni-MO)的储氢性能

在充氢气条件下,用机械球磨的方法合成了(RMA)镁基纳米复合材料Mg-3Ni-2MO(质量分数,%)(MO-过渡金属氧化物:Cr2O3、MnO2、V2O5、NiO、ZnO).研究了材料的吸氢和放氢性能,在吸放氢过程中温度的变化规律,特别是在吸氢过程中产生的引燃现象.研究了材料的组成和球磨时间对吸放氢性能的影响.结果表明,含有过渡金属氧化物的镁基纳米复合物都具有较好的吸放氢动力学性能和较低的放氢温度.

镁基储氢材料的吸放氢性能

镁基储氢合金作为MH-Ni电池负极的候选材料,是一种很有应用前景的储氢材料。总结了纳米晶、催化剂改性等对镁基储氢材料吸放氢性能的影响,介绍了不同镁基储氢复合材料的吸放氢性能以及基于密度泛函理论的第一原理计算方法在镁基储氢材料吸放氢性能方面所做的一些基础理论研究,指出随着量子化学、凝聚态物理等学科以及计算机技术的发展,理论计算方法在研究镁基储氢材料吸放氢性能方面的作用将越来越重要。

机械合金化法制备镁基储氢材料进展

介绍了近年来机械合金化法在镁基储氢材料制备上的研究进展 ,讨论了机械合金化制备非晶、纳米晶镁基储氢材料的机制 ;从合金替代和多元复合的角度对镁基储氢材料的性能进行了论述 :机械合金化法可制备出纳米晶、非晶态的镁基储氢材料 ,无序区和晶界浓度的增加使得氢原子的吸附和扩散更为容易 ,制备出的材料具有较高的活性和较快的吸放氢速度 ,低温吸放氢性能的改善尤其显著 ;

催化剂对镁基储氢材料储氢性能影响的研究进展

综述了近年来添加过渡族金属、金属氧化物和金属卤化物催化剂对镁基储氢材料性能影响的研究进展,总结了催化剂催化效果的影响因素。比较发现,多价态过渡族金属卤化物对镁基储氢材料具有最好的催化作用。催化剂作用机理包括:为氢的扩散提供通道;为氢的吸附、离解提供活性位置;起到"氢泵"的作用;与Mg-H键发生电子交互作用。

镁基储氢材料表面能及热力学性能研究

研究了镁基储氢材料粉末的表面热力学问题,从化学平衡的角度探讨了镁基储氢材料的吸放氢的平衡压问题,及镁基储氢材料颗粒的表面状态对材料吸放氢平衡压的影响,建立了包含镁基储氢材料的表面自由能的热力学方程,并从理论上计算出了不同温度下镁基储氢材料的平衡压力.探讨了表面自由能对吸放氢平衡压的影响,分析了储氢材料的比表面积,即材料的颗粒直径与材料吸放氢平衡压的关系.

碳基吸附储氢材料

本文综述了活性炭、活性碳纤维、碳纳米纤维和碳纳米管的结构与储氢性能。活性炭只是在低温下才 有好的吸附储氢性能,碳纳米材料吸附储氢对于工业应用还不成熟。活性碳纤维是一种可大规模生产且成本较低的微孔吸附材料,其作为储氢材料具有一定的工业前景。