固態儲氫材料孰優孰劣？一文看懂固態儲氫材料未來發展方向

氫的廉價制取、安全儲運以及高效應用是目前氫能研究領域的重點，而安全、高效的氫儲運是實現氫能規模化應用的技術關鍵，因此高容量固態儲氫材料的研發具有重要的學術意義和應用價值。固體材料儲氫因儲氫密度大、安全系數高而成為最有前景的儲氫技術，得到了研究者們的廣泛關注。

本文將針對目前國內外固體儲氫材料研究現狀，論述幾種固體儲氫材料的研究進展。

物理吸附類儲氫材料

物理吸附類儲氫材料的工作原理是運用范德華力對氫氣的吸附作用，因其在特定條件下對氫氣具有良好、可逆的熱力學吸附、脫附性能而受到廣泛研究。提高材料對氫氣的吸附作用使氫分子更容易、更牢固地吸附在微孔材料的表面或孔腔中，已成為進一步提高物理吸附儲氫材料儲氫量的一條重要途徑。

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碳基儲氫材料

碳基儲氫材料主要分為活性炭（高比表面積，約3000 m2/g）、碳納米纖維（高比表面積大，較多微孔，同時吸附和脫附速率快）、碳納米管（表面結合各種官能團，儲氫性能好），由于碳基材料與氫氣的相互作用較弱，所以提高該材料儲氫性能的方法主要有調節材料的比表面積、孔道尺寸、孔體積、對碳基材料進行改性、微孔化、制約金屬團聚等可以有效提高儲氫量。

碳納米管

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金屬有機框架儲氫材料

金屬有機框架儲氫材料是由無機單元和有機單元結合形成的高度結晶的多孔配位聚合物。這些材料具有極高的表面積、超高孔隙率、可調孔徑和可用活性金屬位點，比其他基于物理吸附的潛在儲氫材料更具優勢。金屬有機框架儲氫材料在超低溫下儲氫容量非常可觀，而常溫條件下則很低。實驗驗證，結構為微孔鋁基金屬有機框架（BUT-22）的材料在77K低溫、10MPa壓力下具有最高的儲氫能力，常溫下的儲氫能力大幅度降低。通過對過渡金屬分析表明，渡金屬置換、結構交叉重組對金屬有機框架儲氫材料的儲氫特性存在著多方面影響，將成為今后的研究重點。

化學吸附類儲氫材料

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鎂基儲氫材料

鎂由于其豐富的儲量、較高的理論儲氫量（7.6%）和體積儲氫密度（110kg/m3 H2）、低廉的成本價格，且單質鎂可以在高溫條件下與氫氣反應生成MgH2，故MgH2/Mg體系被認為是最有潛力的儲氫體系之一。鎂和氫之間的氫化反應如下

鎂和氫反應示意圖

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鈦基儲氫材料

鈦及其合金是一種很有潛力的儲氫材料，但缺點之一是容易生成一層致密的TiO2膜，因而需要較高的活化溫度和氣體壓強。此外，鈦基合金還容易受到水和氧氣等雜質毒化，且在吸放氫過程中存在嚴重的滯后現象。因此，需要改善合金的活化性能，擴大其適用范圍，使之具備更好的實用價值。

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稀土基儲氫材料

稀土儲氫合金的動力學性能和穩定性較好且儲氫容量較高，在鎳氫電池上的應用取得巨大成功后，稀土成為固定式氫燃料儲氫載體重要選擇方案之一，極具發展前景和應用潛力。

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其他金屬基儲氫材料

在眾多金屬材料里，鋯系合金和釩基合金在固體儲氫材料領域皆有一定的應用。鋯系合金可用通式AB2表示，主要包括Zr-Mn體系、Zr-V體系、Zr-Cr體系，結構多為C14、C15 Laves相，具有反應速度快、吸氫量大、循環壽命長和沒有滯后效應等優點；缺點是合金成本高、穩定性較差且較難活化。

物理吸附類儲氫材料吸附過程不發生化學變化，儲氫方式簡單，但在常溫或高溫下性能不穩定且質量儲氫密度較低，材料制備復雜，機理認識不夠，制約了物理吸附類儲氫材料的應用前景。故物理吸附類儲氫材料應朝著常溫、常壓、高可逆性和高容量等方向發展。金屬基儲氫材料是目前綜合性能最為優異的儲氫材料選擇，在現有技術的基礎上開發新的改進手段，或者研發新實驗方案將多種改性方法結合起來以實現材料的優勢互補，應是未來金屬基儲氫材料研究的重點方向。