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行业技术|新型金属储氢材料动态

   更新日期:2017-03-25     来源:建材之家    作者:博一建材    浏览:71    评论:0    
核心提示:作为燃料,氢具有最高的质量热值(其热值..1.25×106kJ/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20K)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火炸药能量供给组分的应用。利用吸氢材料与氢气反应生

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博一建材讯:作为燃料,氢具有最高的质量热值(其热值..1.25×106kJ/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20K)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火炸药能量供给组分的应用。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。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。储氢材料按氢的结合方式可分为化学键合储氢(如储氢合金、配位氢化物、氨基化合物、有机液体碳氢化合物等)和物理吸附储氢(碳纳米管、多孔碳基材料、金属有机框架材料、纳米储氢材料、多孔聚合物等)。从上述储氢材料的性能(燃烧热、材料密度、储氢密度、反应活性)等衡量标准分析,高热值的金属储氢材料(包括金属氢化物或合金储氢材料)是火炸药燃料组分的发展重点。

金属储氢材料是目前研究较为广泛、成熟的新型高性能大规模储氢材料之一,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)。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:

M+x/2H2==MHx+ H

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。

金属储氢材料可分为2大类:一类是合金氢化物材料,另一类是金属配位氢化物材料。迄今为止,趋于成熟和具备实用价值的金属储氢材料主要有镁系、稀土系、Laves相系、钛系、金属配位氢化物等几大系列。

镁系储氢材料以其储氢量高(镁的理论储氢质量分数为..7.6%)、资源丰富、成本低廉等特点被公认为是最有前景的储氢材料之一;以LaNi5为代表的稀土系储氢合金被认为是所有储氢合金中应用性能最好的一类。1969年,荷兰Philips实验室首次报道了LaNi5合金具有很高的储氢能力;Laves相系合金材料是一类非常具有潜在研究价值的储氢材料,已发现的Laves相系(AB2型)储氢材料有3种晶相结构:立方晶相C15(MgZn2)、六方晶相,C14(MgCu2)和双六方晶相,C36(NiMg2)。相结构的稳定性主要取决于构成材料的元素原子的几何半径比、电负性和各原子的化合价等;钛系储氢材料中FeTi合金储氢能力较好,略高于LaNi5,FeTi合金活化后,能可逆地吸放大量的氢,且氢化物的分解压强仅为几个大气压,接近工业应用,此外Fe、Ti元素在自然界中含量丰富,价格便宜,适合在工业中大规模应用。

金属储氢材料,不仅是优良的储氢材料,还可作为新型火炸药高能组分,是具有广阔应用前景和巨大发展潜力的功能材料。经过几十年的发展,国内外在金属储氢材料的制备研究和应用研究方面均取得了一定的成就。依据金属储氢材料应用技术研究的需要,未来有如下几点可能的发展方向:①目前乃至未来相当长一段时期内,金属储氢材料处于一个发展较为缓慢的平台区,其工作重点集中于金属储氢材料的工程化探索研究及高性能金属储氢材料结构、形态与性能之间的相关性研究。②近期金属储氢材料在民用方面的研究将主要立足于氢燃料电池的工程化应用,主要应用方向在清洁燃料汽车(“零排放”汽车)、助动车、通讯工具(手机、电脑等)、电动工具等,且今后将开展氢能发电方面的探索研究,为全球性石化燃料危机提供替代能源。③未来金属储氢材料在军用方面的研究将依据技术交叉融合、优势互补的趋势,重点开发适合于高性能火炸药发展的高活性金属储氢材料。其近期的研发重点主要为..AlH3、MgH2等储氢材料在高能炸药(包括云雾爆轰炸药)、高能固体推进剂中的应用;远期的研发重点将结合纳米技术、合金技术等相关学科、相关专业的发展,以实现炸药、固体推进剂能量水平的跨越式提高。

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