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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划贮氧材料原理湖南工业大学教务处XX届本科毕业设计资料第一部分毕业论文本科毕业设计题目名称：学院：专业：学生姓名：班级：指导教师姓名：最终评定成绩：碳基材料储氢原理及其应用理学院应用物理李灿应物101学号：10411XX27何军职称：讲师XX年5月湖南工业大学本科毕业论文诚信声明本人郑重声明：所呈交的毕业论文，题目碳基材料的储氢原理及其应用是本人在指导教师的指导下，进行研究工作所取得的成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文章以明确方式注明。除此之外，本论文不包含任何其他个
2、人或集体已经发表或撰写过的作品成果。本人完全意识到本声明应承担的责任。作者签名：日期：年月日湖南工业大学本科毕业设计(论文)摘要随着碳基材料的问世，它的应用就一直十分的广泛。它不仅在电子方面有极其重要的作用，而且它在电子领域和清洁能源的储氢方面都发挥着至关重要的作用。碳基储氢材料是一种新型的储氢材料，碳基储氢材料主要有活性碳储氢材料，碳纤维储氢材料、碳纳米管储氢材料。碳基储氢材料主要是利用其独特的内部结构，通过物理和化学吸附来储氢的，本论文的主要工作就是介绍碳基储氢材料的相关背景，并对比多种当今世界上十分流行的储氢方法；简述了碳基储氢材料储氢机理，同时分析了影响储氢量的主要因素，最后总结了碳基
3、储氢材料在工业生产的实际应用。关键词：碳基储氢材料、石墨烯、纳米管I浅谈贮氢材料摘要：氢被广泛认为是人类未来最理想的能源，而氢的贮存是现阶段氢能源开发和利用的瓶颈。本文主要介绍了金属基贮氢合金、碳基贮氢材料、玻璃微球贮氢材料、配合物贮氢材料、金属有机框架贮氢材料等储氢材料的研究进展及对其应用做了简要概述，并指出了储氢材料的发展方向。关键词：金属基贮氢合金、碳基贮氢材料、玻璃微球贮氢材料、配合物贮氢材料、金属有机框架贮氢材料、热传感器、镍电池1.前言：当前，人类面临着能源危机，作为主要能源的石油、煤炭和天然气由于长期的过量开已濒临枯竭，同时由这些能源引起的环境问题也越来越突出。氢是一种非常重要的
4、二次能源，它资源丰富、发热值高、燃烧后生成水，不污染环境等，鉴于以上优点，氢能源的开发引起了人们极大的兴趣，但同时遇到的问题主要是制氢工艺和氢的贮存。储氢材料按氢结合的方式可分为化学储氢和物理储氢(如碳基材料、金属有机框架材料等)。2.贮氢材料的分类及进展金属基贮氢合金材料镁基贮氢材料最早研究镁基储氢材料的是美国Brookhaven国家实验室，他们将镁和镍熔炼制成了Mg2Ni合金。该合金在压力为下的解氢温度为253，比纯镁明显降低。在Mg-Ni系中，人们常添加元素M替代部分元素Mg或Ni以改善Mg、Ni的充放氢性能。常用部分替代Mg的元素有Ag、Ti、Al、Zr、Co、Si、V、Ce、B、C，
5、这些元素的添加可抑制Mg在合金表面的氧化，从而提高Mg-Ni系储氢合金的循环寿命。随着机械合金化技术的日益成熟，人们把工作重点放在了镁基储氢复合材料的研究上。此类材料的特点是将某一种单质或化合物复合在镁颗粒表面，起到吸放氖催化剂的作用，可加快吸放氢的速度，降低其放氢温度。例如镁基纳米复合材料能在较低温度下发生快速的吸氢反应，可以在较低的温度下快速吸氢。稀土系贮氢材料稀土系储氢合金以LaNi5为代表，具有CaCu型六方结构。1969年发现LaNi5合金具有优良的吸氢特性、较高的吸氢能力、较易活化、对杂质不敏感及吸释氢不需高温高压等优良特性，但该合金在吸氢后晶胞体积膨胀较大、易粉化、吸释氢能力过早
6、失去，且价格昂贵。为降低稀土合金的成本，采用混合稀土Mn、Ce、Nd、Pr、Sm、Gd、Er等取代LaNi5中的La而形成一系列MmNi5合金。MmNi5合金在室温和6MPa氢压下能与氢迅速反应，生MmNi5H6氢化物，储氢量与LaNi5基本相同。为进一步改善合金吸放氢的平台压力、热焓值、活化速度、吸放氢速度等热力学和动力学性能，近年来稀土系储氢合金又发展了非化学计量比的储氢合金。钛系贮氢材料FeTi合金是AB型储氢合金的典型代表，活化后在室温下能可逆地吸放大量氢，可以工业应用，且价格便宜、资源丰富，缺点是活化困难，需要高温高压氢，抗杂质能力中毒性差，且反复吸氢后性能下降。用其它元素代替Fe，
7、开发出了一系列易活化、滞后现象小的新型合金。Ti-Ni系合金被认为是一种良好的储氢电极材料，韧性高、难于用机械粉碎，270时与氢反应生成稳定氢化物，氢离解压高、反应速度快，但容量较低，与其它储氢合金相比，还存在可逆容量小且循环寿命短的问题。除钛铁为AB型外，其余钛基储氢材料均为AB2型。Ti-Mn基储氢合金成本较低，吸放氢性能良好、储氢量较高、易活化、抗中毒性能较好。锆系贮氢材料锆系储氢合金主要有Zr-V、Zr-Cr和Zr-Mn系列，可用通式AB2表示，具有C14、C15、C36等Laves相结构，吸氢量大、反应速度快以及易活化、没有滞后效应等优点，但稳定性较差。为改善其性能，常添加Ni、Mn
8、、Cr、V等元素。Zr-Ni相合金具有很高的气态吸氢容量，室温下非常稳定、吸放氢平台压力很低、可逆吸放性差，但其具有良好的催化活性和耐腐蚀性，使合金析出的Zr-Ni相与合金中的Laves相起协同作用，提高合金的综合电化学性能。碳基贮氢材料碳质吸附储氢是近年来出现的利用吸附理论的物理储氢方法。氢在碳质材料中吸附储存主要分为在活性炭上吸附和在碳纳米材料中的吸附储存。活性炭活性炭由于吸附能力大、表面活性高、循环使用寿命长、易实现规模化生产等优点而成为一种独特的多功能吸附剂。高比表面积活性炭储氢是利用其巨大的表面积与氢分子之间的范德华力来实现的，是典型的超临界气体吸附。一方面H2的吸附量与碳材料的表面
9、积成正比；另一方面H2的吸附量随着温度的升高而呈指数规律降低。活性炭吸氢性能与温度和压力密切相关，温度越低，压力越大，则储氢量越大。石墨纳米纤维石墨纳米纤维是一种由含碳化合物经所选金属颗粒催化分解产生，截面呈十字型，面积-20为(30500)10、长度为10100um的石墨材料，其储氢能力取决于直径、结构和质量。碳纳米纤维由于碳纳米纤维具有很大的比表面积，使大量的H2吸附在碳纳米纤维表面，为H2进入碳纳米纤维提供了主要通道，而且由于碳纳米纤维的层间距远远大于H2分子的动力学直径，大量的H2可进入碳纳米纤维的层面之间，同时，碳纳米纤维有中空管，可以像碳纳米管一样具有毛细作用，H2可凝结在中空管中
10、，从而使碳纳米纤维具有较高储氢密度。碳纳米纤维的储氢量与其直径、结构和质量有密切关系。在一定范围内，直径越小，质量越高，纳米碳纤维的储氢量越大。碳纳米管从微观结构上来看，碳纳米管是由1层或多层同轴中空管状石墨烯构成，可以简单地分为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管以及由单壁碳纳米管束形成的复合管。氢气在碳纳米管中根据吸附过程中吸附质与吸附剂分子之间相互作用的区别，以及吸附质状态的变化，可分为物理吸附和化学吸附。其研究重点主要集中在H2在碳纳米管内的吸附性质、存在状态、表面势和碳纳米管直径对储氢密度的影响等。氢在碳纳米管中的吸附为单分子层吸附，饱和吸附量的对数值随温度升高线性下降。玻璃微球贮氢材料直径2
11、5500um、壁厚度低于1um的玻璃微球在200400范围内的穿透率增大，使氢气可在一定压力的作用下进入到玻璃体中。随着温度的降低，玻璃体的穿透性逐渐降低，当温度降到室温附近时，玻璃体的穿透性消失，氢气留在玻璃微球体内，随着温度的升高，玻璃体的穿透性又逐渐增大使氢气又逐渐释放出来。微球储氢是一种具有发展前途的储氢技术，其技术难点在于制备高强度的空心微球。配合物贮氢材料配合物储氢材料的储氢原理为：碱金属与氢反应生成离子型氢化物，氢化物受热又可分解放出氢气。1997年研究发现在NaAlH4中掺入少量的Ti、Fe，可将NaAlH4的分解温度降低100左右，而且加氢反应可在低于材料熔点的固态条件下实现
12、。这使得越来越多的人开始研究以NaAlH4为代表的新一代配合物储氢材料，如LiAlH4、KAlH4、Mg(AlH4)2等。氢化硼和氢4+3+化铝配合物也是很有发展前景的新型储氢材料，但为了使其能得到实际应用，人们还需探索新的催化剂或将现有的钛、锆、铁催化剂进行优化组合以改善NaAlH4等材料的低温放氢性能，而且对于这类材料的回收再生循环利用也需进一步深入研究。金属有机框架贮氢材料金属有机框架物是最近几年发现的一类很有前景的储氢材料。金属有机框架物又称为金属有机配位聚合物，它是由金属离子和有机配体自组装形成的具有超分子微孔网络结构的类沸石材料。金属有机框架物中的金属与氢的结合比石墨化的碳与氢的结
13、合更为牢固，且通过改性有机成分，可促使金属有机物与H2间的相互作用加强。3.贮氢材料的应用作为贮运氢气的容器使用液氢槽车贮罐和高压氢气瓶运输或存储氢，不仅昂贵，安全措施要求甚高，而且由于蒸发和渗漏漏不宜长期储存。用储氢材料作介质，使氢气与储氢合金化合成固态金属氢化物来储存运输氢气，则可解决长期储存和安全运输的问题。氢气的超纯净化兼有储存和净化双重功能的储氢器与现行的氢气钢瓶一把膜氢净化器体系相比，具有价格低、体积小、容量大、操作简便。不易损坏等优点，适用于电子、化工、冶金、气象等一切需要高纯氢的部门。氢气的压缩储氢合金的吸放氢压力随温度的升高成对数关系升高，在常温下吸人较低庄力的普通氢气，在较
14、高温度下则可释放出高压高纯度氢气。根据这一原理，可制成兼有净化与压缩双重功能的无运动件高压高纯氢压缩器。空调的制冷与热泵储氢材料吸氢时放出大量热量，放氢时则吸收等量的热量。将两种吸氢压力不同的储氢合金分别置于低温侧和高温侧，以氢气为工质，进行吸放氢循环，可制成空调机或热泵。用太阳能或工业废热作高温热源，不用电力即可在夏季降温，而在冬季加热。热传感器每种储氢合金都有其恒定的温度一压力关系，温度的变化可以通过与其成对数关系的氢化物压力的变化而得以检侧。这种热一压传感器敏感度高，探头容积很小，可用较长导管而不影响测量精度，亦无重力效应，已在一些国外飞机上采用。真空技术在制备真空时，将一定量完全氢化的
15、高温储氢材料放置于容器内加热，使之放出氢气，容器内的空气也随氢排出容器，到一定真空度后，封闭容器，冷却后储氢材料将容器中残留的氢吸回，即可形成较高的真空度，这样可较大地缩短抽气时间。氢化物-镍电池用储氢材料作负极、镍作正极，以KOH为电解质可制成新型高容量二次电池。储氢合金代替锡，不仅电池成本低，而且还消除了锡对环境的污染与对工人的毒害。氢化物一镍电池已进入产业化阶段，即将全面取代现今市场上的镐一镍电池。它被认为是金属氢化物应用中最巨大、最有经济价值的突破。4.结语与展望储氢技术是使氢能利用走向实用化、规模化的关键，而储氢材料则是储氢技术发展的基础。储氢材料研究还需要解决的关键问题主要有：立足化学制备方法和途径，研发高性能储氢材料，为新材料的制备奠定基础；对气体杂质的高度敏感性；加强储氢机理研究，为新材料的发展提供理论基础；向轻元素如Li，B，C，N或混合轻元素方向发展，提高储氢密度；将氢气的储存一释放系统作为整体，发展储氢材料的大规模连续制备技术。由于不同储氢材料有不同的优缺点，因此应该研制出集多种单一储氢材料储氢优点于一体的复合储氢材料将是未来储氢材料发展
