储氢合金的高性能

储氢合金的高性能

大家知道，地球上煤炭、天然气、石油的储量极为有限，而且以它们作为能源材料造成的生态和环境问题也日益严重，因此，寻找新能源成为世界各国共同关注的焦点课题。未来的能源系统中，初始（或一次）能源将以原子能和太阳能为主，获得的能量主要是热能及其转换成的电能。那么，如何有效地开发和利用这些能源？能否找到一种理想的能源媒体或者“容器”将这些能量储存起来以便使用？

氢能就是最佳选择之一。氢燃烧时发热量大，燃烧产物只有水，洁净、无污染。如果能进一步利用太阳能以海水制氢，则司使其真正成为无公害、取之不尽用之不竭的能源系统。此外原子能发电、火力发电一般采用定额输出运行，不易根据负载变化来调节功率输出，往往存在“过剩”电力，造成能源的损耗和浪费；如果能利用这些过剩电力进行电解制氢，则可实现能源储存。

但氢在常温下是气体，作为能源材料，在储存、运输和使用的诸多方面受到了限制。20世纪60年代中期科学家发现LaNi₅和FeTi等金属间化合物具有可逆储氢的作用，即储氢合金能以金属氢化物的形式吸收氢，加热后又能释放氢，相当于储氢“容器”。从那以后储氢合金受到了广泛的重视，理论和应用研究得到了迅速的发展，从而使得氢作为能源材料的应用前景一片光明。

那么储氢合金的储氢原理是什么呢？

氢溶于元素周期表中Ⅰ_A～V_A族金属中时为放热反应，能形成溶解许多氢的金属氢化物，反应式如下：

2M＋xH₂——2MH_x＋△H（生成热）

该反应释放的热量越多（生成热△H的绝对值越大），形成的金属氢化物越稳定。为方便起见，我们把这类金属简称为放热型金属。当氢溶于ⅥA～Ⅷ族（Pd除外）金属时为吸热反应，吸收的热量越多则氢化物越不稳定，氢在这些金属中的溶解度很小，事实上通常条件下不形成氢化物，我们称这些金属为吸热型金属。

绝大多数单一的放热型金属与氢反应，形成的金属氢化物生成热（绝对值）太大，放热太多，这些氢化物过于稳定，氢分解压太高，不易释放氢，不适于作储氢材料。要想获得适当的生成热和氢分解压，必然需要一种或多种放热型金属与一种或多种吸热型金属配合形成金属间化合物，如LaNi₅和FeTi。

氢在金属中的吸收和释放取决于金属、氢的相平衡反应，影响平衡的因素为温度、压力和成分，可利用这些因素来控制氢的吸收和释放。储氢合金有许多种类，现在正在开发的可归纳为几大系列：镁系合金、稀土系合金、钛系及锆系合金等。针对不同的应用情况，各种储氢合金可能有不同的性能要求，但总体而言，具有实用价值的储氢合金应具备如下条件：活性高，吸氢量大；生成热和氢分解压适当，生成热一般应在－29．26～－45．98千焦／摩之间（“－”号代表放热），室温下氢分解平衡压以202．65～303．98千帕为宜；可逆性好，即氢吸收和分解过程中的平衡压差小；氢吸收和释放的速率快；热传导性好；在反复的吸、放氢循环过程中，合金的粉化小、性能稳定等。

目前，氢能源系统及储氢合金的研究工作逐步深入，正在向实际应用方面稳步发展。使用储氢合金储存氢气无需高压（＜4兆帕）和液化，不必使用耐100兆帕高压的耐压钢瓶，使用安全，能耗小；储氢量大，储氢密度是氢气的1000倍以上，甚至大于液态氢的储氢密度，是名副其实的高能储罐。此外，使用储氢合金储存氢气还具有超纯净化作用。市售氢气一般含有N₂、O₂、CO₂及H2O等杂质，但经储氢合金吸收后再释放出来的氢气纯度可达99．999999%以上。高纯及超纯氢是电子、冶金、建材以及医药和食品等工业部门必不可少的重要原材料。目前，这些部门所用的高纯及超纯氢是采用电解水并经过低温吸附净化处理的方法而制得的，不仅耗能巨大，投资费用也很大。利用储氢合金的吸氢和净化功能可从遍布全国的合成氨和氯碱厂所排放的含氢废气中净化、回收氢。仅国内合成氨厂每年放空的氢气就达10亿立方米，如果能回收利用这些氢，那将是一笔可观的经济效益。

作为燃料，储氢合金可用于设计制造氢燃料发动机，用于汽车和飞机，可提高效率，减少环境污染。尽管在重量上，储氢合金重于汽油，但与其他汽油的替代能源电池相比，在重量方面又占有优势。只要储氢合金的性能进一步提高和完善，可望使氢气真正成为便宜而又使用方便的二次能源。

储氢合金除了上述的对氢的储存、净化与回收功能，以及作为能源材料使用外，还有许多其他用途。储氢合金吸收、释放氢时，伴随着巨大的热效应，发生热能、化学能的相互转换，反应速率快、可逆性好，是一种特别有效的蓄热和热泵介质，可用于制造冷冻机和采暖机械，使用储氢合金的热装置可以充分利用太阳能、地热和各种中低温的（300℃以下）余热、废热，提高能源的利用率。

利用储氢合金的电化学吸附氢特性制造的氢化物－镍电池，是储氢合金领域第一个已商品化、产业化的应用项目。与传统的镉－镍电池相比，它能量高、无镉的污染性、耐过充及过放性好，因而正逐步应用于计算机、通讯设备、家电、音像设备，同时也成为电动汽车用大型电池的首选电源之一。

储氢合金可用于氢同位素（氕、氘、氚）分离。氘可用来制造重水D₂O，用作核反应堆中的慢化剂及冷却剂，同时氘又是聚变的原料。利用储氢合金分离氢同位素，能耗低、工艺简单，同时又可制取大量的高纯度氢，可大大降低制氘的费用，这对原子能工业具有非常重要的意义。此外，利用氢化物分解压与温度的一一对应关系，可用储氢合金制作热、压传感器来测量温度。储氢合金还可用作化学工业中有机合成的加氢和脱氢催化剂等。

总之，随着人们对储氢合金研究的逐步深入，其应用领域将逐步扩大，它的性能也会不断完善和提高，正成为一种神奇的功能材料。