儲氫合金的高性能

大家知道，地球上煤炭、天然氣、石油的儲量極為有限，而且以它們作為能源材料造成的生態(tài)和環(huán)境問題也日益嚴(yán)重，因此，尋找新能源成為世界各國共同關(guān)注的焦點(diǎn)課題。未來的能源系統(tǒng)中，初始（或一次）能源將以原子能和太陽能為主，獲得的能量主要是熱能及其轉(zhuǎn)換成的電能。那么，如何有效地開發(fā)和利用這些能源？能否找到一種理想的能源媒體或者“容器”將這些能量儲存起來以便使用？

氫能就是最佳選擇之一。氫燃燒時(shí)發(fā)熱量大，燃燒產(chǎn)物只有水，潔凈、無污染。如果能進(jìn)一步利用太陽能以海水制氫，則司使其真正成為無公害、取之不盡用之不竭的能源系統(tǒng)。此外原子能發(fā)電、火力發(fā)電一般采用定額輸出運(yùn)行，不易根據(jù)負(fù)載變化來調(diào)節(jié)功率輸出，往往存在“過?！彪娏?，造成能源的損耗和浪費(fèi)；如果能利用這些過剩電力進(jìn)行電解制氫，則可實(shí)現(xiàn)能源儲存。

但氫在常溫下是氣體，作為能源材料，在儲存、運(yùn)輸和使用的諸多方面受到了限制。20世紀(jì)60年代中期科學(xué)家發(fā)現(xiàn)LaNi₅和FeTi等金屬間化合物具有可逆儲氫的作用，即儲氫合金能以金屬氫化物的形式吸收氫，加熱后又能釋放氫，相當(dāng)于儲氫“容器”。從那以后儲氫合金受到了廣泛的重視，理論和應(yīng)用研究得到了迅速的發(fā)展，從而使得氫作為能源材料的應(yīng)用前景一片光明。

那么儲氫合金的儲氫原理是什么呢？

氫溶于元素周期表中Ⅰ_A～V_A族金屬中時(shí)為放熱反應(yīng)，能形成溶解許多氫的金屬氫化物，反應(yīng)式如下：

2M＋xH₂——2MH_x＋△H（生成熱）

該反應(yīng)釋放的熱量越多（生成熱△H的絕對值越大），形成的金屬氫化物越穩(wěn)定。為方便起見，我們把這類金屬簡稱為放熱型金屬。當(dāng)氫溶于ⅥA～Ⅷ族（Pd除外）金屬時(shí)為吸熱反應(yīng)，吸收的熱量越多則氫化物越不穩(wěn)定，氫在這些金屬中的溶解度很小，事實(shí)上通常條件下不形成氫化物，我們稱這些金屬為吸熱型金屬。

絕大多數(shù)單一的放熱型金屬與氫反應(yīng)，形成的金屬氫化物生成熱（絕對值）太大，放熱太多，這些氫化物過于穩(wěn)定，氫分解壓太高，不易釋放氫，不適于作儲氫材料。要想獲得適當(dāng)?shù)纳蔁岷蜌浞纸鈮海厝恍枰环N或多種放熱型金屬與一種或多種吸熱型金屬配合形成金屬間化合物，如LaNi₅和FeTi。

氫在金屬中的吸收和釋放取決于金屬、氫的相平衡反應(yīng)，影響平衡的因素為溫度、壓力和成分，可利用這些因素來控制氫的吸收和釋放。儲氫合金有許多種類，現(xiàn)在正在開發(fā)的可歸納為幾大系列：鎂系合金、稀土系合金、鈦系及鋯系合金等。針對不同的應(yīng)用情況，各種儲氫合金可能有不同的性能要求，但總體而言，具有實(shí)用價(jià)值的儲氫合金應(yīng)具備如下條件：活性高，吸氫量大；生成熱和氫分解壓適當(dāng)，生成熱一般應(yīng)在－29．26～－45．98千焦／摩之間（“－”號代表放熱），室溫下氫分解平衡壓以202．65～303．98千帕為宜；可逆性好，即氫吸收和分解過程中的平衡壓差??；氫吸收和釋放的速率快；熱傳導(dǎo)性好；在反復(fù)的吸、放氫循環(huán)過程中，合金的粉化小、性能穩(wěn)定等。

目前，氫能源系統(tǒng)及儲氫合金的研究工作逐步深入，正在向?qū)嶋H應(yīng)用方面穩(wěn)步發(fā)展。使用儲氫合金儲存氫氣無需高壓（＜4兆帕）和液化，不必使用耐100兆帕高壓的耐壓鋼瓶，使用安全，能耗??；儲氫量大，儲氫密度是氫氣的1000倍以上，甚至大于液態(tài)氫的儲氫密度，是名副其實(shí)的高能儲罐。此外，使用儲氫合金儲存氫氣還具有超純凈化作用。市售氫氣一般含有N₂、O₂、CO₂及H2O等雜質(zhì)，但經(jīng)儲氫合金吸收后再釋放出來的氫氣純度可達(dá)99．999999%以上。高純及超純氫是電子、冶金、建材以及醫(yī)藥和食品等工業(yè)部門必不可少的重要原材料。目前，這些部門所用的高純及超純氫是采用電解水并經(jīng)過低溫吸附凈化處理的方法而制得的，不僅耗能巨大，投資費(fèi)用也很大。利用儲氫合金的吸氫和凈化功能可從遍布全國的合成氨和氯堿廠所排放的含氫廢氣中凈化、回收氫。僅國內(nèi)合成氨廠每年放空的氫氣就達(dá)10億立方米，如果能回收利用這些氫，那將是一筆可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

作為燃料，儲氫合金可用于設(shè)計(jì)制造氫燃料發(fā)動機(jī)，用于汽車和飛機(jī)，可提高效率，減少環(huán)境污染。盡管在重量上，儲氫合金重于汽油，但與其他汽油的替代能源電池相比，在重量方面又占有優(yōu)勢。只要儲氫合金的性能進(jìn)一步提高和完善，可望使氫氣真正成為便宜而又使用方便的二次能源。

儲氫合金除了上述的對氫的儲存、凈化與回收功能，以及作為能源材料使用外，還有許多其他用途。儲氫合金吸收、釋放氫時(shí)，伴隨著巨大的熱效應(yīng)，發(fā)生熱能、化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)換，反應(yīng)速率快、可逆性好，是一種特別有效的蓄熱和熱泵介質(zhì)，可用于制造冷凍機(jī)和采暖機(jī)械，使用儲氫合金的熱裝置可以充分利用太陽能、地?zé)岷透鞣N中低溫的（300℃以下）余熱、廢熱，提高能源的利用率。

利用儲氫合金的電化學(xué)吸附氫特性制造的氫化物－鎳電池，是儲氫合金領(lǐng)域第一個(gè)已商品化、產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用項(xiàng)目。與傳統(tǒng)的鎘－鎳電池相比，它能量高、無鎘的污染性、耐過充及過放性好，因而正逐步應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、家電、音像設(shè)備，同時(shí)也成為電動汽車用大型電池的首選電源之一。

儲氫合金可用于氫同位素（氕、氘、氚）分離。氘可用來制造重水D₂O，用作核反應(yīng)堆中的慢化劑及冷卻劑，同時(shí)氘又是聚變的原料。利用儲氫合金分離氫同位素，能耗低、工藝簡單，同時(shí)又可制取大量的高純度氫，可大大降低制氘的費(fèi)用，這對原子能工業(yè)具有非常重要的意義。此外，利用氫化物分解壓與溫度的一一對應(yīng)關(guān)系，可用儲氫合金制作熱、壓傳感器來測量溫度。儲氫合金還可用作化學(xué)工業(yè)中有機(jī)合成的加氫和脫氫催化劑等。

總之，隨著人們對儲氫合金研究的逐步深入，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒅鸩綌U(kuò)大，它的性能也會不斷完善和提高，正成為一種神奇的功能材料。