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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氢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贮氢材料概述班级：学号：26姓名：刘阳摘要：化石能源将在数百年内枯竭，化石能源带来了巨大的生态灾难，新能源开发势在必行，为了解决能源危机和环境问题的一条出路，氢能因其独特有优势而备受亲睐，可以说氢是二十一世纪的绿色能源，但是在制氢工艺和氢的贮存上遇到了问题。所以本文通过介绍基本的材料相关概念在进一步浅谈贮氢材料发展前景、原理、特殊功能、分类、储存方式及应用，使读者对贮氢材料有个初步的认识和了解。关键词:材料；氢能；贮氢合金；应用；对于功能材料概论课学习，虽然只有短短的几周，却引起我极大的兴趣，因此我受益颇多，学了这么多材料，懂
4、得许多相关材料的知识，作为材料专业的学生而言，能学到这些是非常有价值的！拥有了这些知识对我们今后的学习生活很有帮助，为进一步学习好材料科学打好基础，更能启发我们学习材料的兴趣，坚定我们学习的方向。一、材料和材料科学的概念及意义材料是有一定的配比的若干相互作用的元素组成、具有一定机构层次和确定性能，并能用与制造物品，器件、构件、机器或其他产品的物质；材料是物质，但不表示所有的物质都可以称为材料。材料科学是研究材料的组成、结构与性能之间相互关系及变化规律的一门应用基础科学。功能材料是指具有特殊的电、磁、光、热、声、力、化学性能和生物性能及其转化的功能，用以实现对信息和能量的感受、计测、显示的控制和
5、转化为主要目的的非结构性新材料。材料是人类赖以生存和发展的重要的物质基础，是一切科学技术发展的物质基础，是人类进化的重要的里程碑。而人类的文明发展也是以旧石器时代、新石器时代、青铜器时代、铁器时代来划分的，即以材料进化为主要标志的，当今世界经济的腾飞和高科技的崛起是信息科学和生命科学和材料科学为三大支柱。新型材料、生物工程和信息产业被作为产业革命的重要标志。人类进入新世纪后，对于材料提出更高的要求，新材料的研究是我过高科技研究发展的七大领域之一。介绍完这些，接下来我们引出有关贮氢材料的知识。二、贮氢材料的发展前景氢能是未来能源最佳选择之一。氢能的利用涉及氢的储存、输运和使用。自20世纪60年代
6、中期发现LaNi5和FeTi等金属间化合物的可逆储氢作用以来，储氢合金及其应用研究得到迅速发展。储氢合金能以金属氢化物的形式吸收氢，是一种安全、经济而有效的储氢方法。金属氢化物不仅具有储氢特性，而且具有将化学能与热能或机械能相互转化的机能，从而能利用反应过程中的焓变开发热能的化学储存与输送，有效利用各种废热形式的低质热源。此外，在世界高科技蓬勃发展，国际竞争者日趋激烈下，1986年3月，邓小平的批示的高新技术研究发展计划简称863计划。因此储氢合金的众多应用己受到人们的待别关注。三、金属贮氢原理许多金属可固溶氢气形成含氢的固溶体，固溶体的溶解度HM与其平衡氢压PH2的平方根成正比。在一定温度和
7、压力条件下，固溶相与氢反映生成金属氢化物。金属与氢的反应，是一个可逆过程。正向反应，吸氢、放热；逆向反应，释氢、吸热。改变温度与压力条件可使反应按正向、逆向反复进行，实现材料的吸释氢功能。氢可以和很多金属反应，生成金属氢化物，总反应式如下所示：M?xH2?MHx2其中M为金属。该反应是一个可逆过程。正向反应，吸氢、放热；逆向反应，释氢、吸热；改变温度与压力条件可使反应按正向、逆向反复进行，实现材料的吸释氢功能。事实上，金属的吸氢反应并非一步完成，吸氢过程分四步进行。第一步：形成含氢固溶体第二步：进一步吸氢，固溶相MHx与氢气反应，产生相变，生成金属氢化物。第三步：增加氢气压力，生成含氢更多的金
8、属氢化物。第四步：吸附氢的脱附。虽然纯金属可以大量吸氢，但为了便于使用，一般要通过合金化来改善金属氢化物的吸放氢条件，即使得金属在容易达到和控制的条件下吸放氢，因此，一般的金属储氢材料为合金储氢材料。特定合金在高温、高氢压下与氢反应，形成金属氢化物，从而吸氢；通过高温或减压，金属氢化物发生分解，从而放氢；通过冷却或加压又充氢。我们把吸氢快，可逆性优良的合金称为储氢合金。储氢合金一般为ABx型，A是能与H形成稳定氢化物的放热型金属，如Re、Ti、Zr、Ca、Mg、Nb、La、Mm等，能大量吸氢，并大量放热，而B为与氢亲和力小，通常不形成氢化物，但氢在其中容易移动，具有催化活性作用的金属，如Fe、
9、Co、Mn、Cr、Ni、Cu、Al等，为吸热型金属，由前者形成的氢化物稳定，不易放氢，氢扩散困难，为强键氢化物，控制储氢量；后者控制放氢的可逆性，起调节生成热与分解压力的作用。储氢合金在一定温度和压力下,能可逆地吸收、储存和释放H2。由于其储氢量大、污染少、制备工艺相对成熟，所以得到了广泛的应用。目前在研和已投入使用的合金成分有：Mg,Ti,Nb,V,Zr和稀土类金属，添加成分有：Cr,Fe,Mn,Co,Ni,Cu等。四、贮氢合金的特殊功能氢是一种能源，1千克氢燃烧后可以放出14万KJ热量，这是任何其他化学燃料都无法可比的。更重要的是，氢是一种干净，无污染的燃料，因此氢燃烧后和氧结合生成是水。
10、大规模用氢都是液态贮存，虽然液态氢比气态氢的密度大许多倍，所占的空间大大减少，但在技术上，常压下氢必须降温到摄氏零下253度才会变成液体，故液氢贮存箱要很厚的保护层隔热，防止液氢沸腾汽化。在一定温度和氢气压力下，能多次吸收、贮存和释放氢气的贮氢材料是20世纪60年代发展起来的贮氢功能材料贮氢合金，使氢的贮存问题得到了令人满意的解决。这种合金想海绵吸水一样，大量吸氢，亦才称为氢海绵。这类合金中的一种金属原子能两、三个甚至更多的氢原子结合，生成稳定的金属氢化物，同时放出热量将其稍稍加热，氢化物发生分解，一收热量后，又可将吸收的氢气释放出来。相当钢瓶三分之一重量的贮氢合金，可吸尽钢瓶内全部氢，而体积
11、仅为钢瓶的十分之一。有的贮氢合金的贮氢量比液态氢还大。贮氢合金一般在常温和常压下，比普通金属的吸氢量要高1000倍，一种镁镍合金制成的氢燃料箱，自重100Kg，所吸收的氢气热能相当于40Kg的汽油，一种镧镍合金吸收氢的密度甚至达到了液氢的密度。五、贮氢合金的分类1、镁系贮氢合金：最早的研究的贮氢材料，镁与镁基合金贮氢量大、重量轻、资源丰富、价格低廉。主要缺点是分解温度过高，吸收氢的速度慢，使镁系合金至今处于研究阶段，尚未实用。目前镁系贮氢合金的发展方向是通过合金化，改善Mg基合金化学反应的动力学和热力学。2、稀土系：LaNi5是稀土系贮氢合金的典型代表。其优点是室温下即可活化，吸氢放氢容易，平
12、衡压力低，滞后小，抗杂质等：缺点是成本高，大规模应用收到限制。LaNi5具有CaCu5型的六方结构，其氢化物仍保持六方结构。为了克服LaNi5的缺点，开发了稀土系多元合金，主要以下几类。LaNi5三元系、MmNi5系和MlNi5系。3、钛系贮氢合金、钛铁系合金：钛和铁可形成TiFe和TiFe2二种稳定的合金间化合物。TiFe2基本上不与氢反应，TiFe可在室温与氢气反应生成和二种氢化物。TiFe合金在室温下释放氢压力不到1MPa，且价格便宜。缺点是活化困难，抗杂质气体中毒能力差，且在反复吸收释放氢后性能下降。、钛锰系合金Ti-Mn合金是拉维斯相结构Ti-Mn二元合金中贮氢性能最佳，在室温下即可
13、活化，与氢反应生成，4、机械合金化技术及复合贮氢合金机械合金化是70年代发展起来的一种用途广泛的材料制备技术。它应用于贮氢合金的制备，是改善贮氢合金性能的有效途径。该技术成本低、工艺简单、生产周期短;制备的贮氢合金具有贮氢量大、活化容易、吸释氢速度快、电催化活性好等优点。美中不足的是用MA制备的贮氢合金尚处于实验室研究阶段，理论模型，工艺参数，工艺条件还有待与进一步优化。六、氢能的存储及贮氢材料应具备的条件1、氢能的存储：分为气态存储、液态存储和金属贮氢；气态存储：存在存储密度低，安全性差；液态存储：存在能耗高，对出关绝热性能要求高；金属贮氢：体积储氢容量高、无需高压及隔热容器、安全性好、无爆
14、炸危险、可得到高纯氢和提高氢的附加值；2、贮氢材料应具备的条件：吸氢能力大，即单位质量灬单位体积贮氢量大。金属化合物的生成热要适当，如果生成热太高，生成的金属氢化物过于稳定，释氢时需要较高的温度；反之，如果作用热贮藏，则希望生成热高。平衡氢压适当。最好在室温附近只有几个大气压，便于贮氢和释放氢气。且期P-C-T曲线有良好的平坦区，平坦区域要宽，倾斜程度小，这样，在这个区域内稍稍改变压力，就能吸收灬释放较多的氢气。吸氢、释氢速度快。传热性能好。对氧、水和二氧化碳等杂质敏感性小，反复吸氢，释氢时，材料性能不致恶化。在贮存与运输中可能可靠、安全、无害。化学性质稳定，经久耐用。价格便宜。七、贮氢合金的
15、应用目前在研和已投入使用的贮氢合金主要可分成：镁系、稀土系、钛系几类。主要的应用领域包括：氢的贮存；高压气态存储：缺点存储容量低；关键问题是降低存储瓶的重量与体积、提高钢瓶材料抗撞击能力及安全性能。液态存储：用于宇航工业；缺点存储成本高和安全技术复杂；关键问题是高度绝特的存储容器。贮氢材料存储：优点安全，质量轻、体积小；缺点吸氢量不大、耐毒性差、初始活化困难、反复使用时稳定性差。氢能汽车；吸收能小，放氢压力为零点几个MPa，贮氢密度高，性能恶化小，成本低，寿命长。目前能用于汽车的储氢器件的重量比汽油箱大，但氢的热效率高于汽油，约为1:3，并且燃烧后无污染。常用材料TiFe氢化物和Mg系氢化物。氢化物镍电池；第一个已商品化、产业化的应用项目。镍氢电池的特点：高能量，能量密度为Ni-Cd电池的倍，长寿命，无镉的公害，不污染环境，充放电速度快记忆效应小，耐过充电和过放电。镍氢电池由氢氧化镍正极、储氢合金负极、隔膜纸、电解液、钢壳、顶盖、密封圈等组成。氢化物电极的贮氢合金必须满足
