会呼吸的金属—谈储氢合金.docx
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1、会“呼吸”的金属一谈储氢合金目录前言11储氢合金的特别之处12 .储氢合金的前世今生23 .储氢合金的大家族33.1.AB5型稀土系储氢合金33.2.AB2型错系与钛系储氢合金43.3.AB型铁钛系储氢合金43.4.AzB型镁系储氢合金44.储氢合金的应用54.1.通讯基站、分布式供能及备用电源54.2.氢能源汽车用64.3.空调与采暖稀土74.4.传感器和控制器稀土75.储氢合金的未来8前言呼吸,是指机体与外界环境之间气体交换的过程。世间的生物依靠呼吸来获取生命活动的动力。然而,呼吸只是生命体的专利么?其实,有些金属也能够“呼吸”,它们能吸入和呼出氢气,不必要支持生命活动,却可以储能并为航天
2、器、潜艇、燃料电池汽车等提供动力。1储氢合金的特别之处首先,我们来了解下氢气。氢气来源广泛,可由水制得,其在氧气中燃烧又生成水,对环境无污染,且发热值高。不管是从当前化石能源短缺问题出发,还是出于环境保护与可持续发展的考虑,氢能被认为是未来最理想的清洁能源。与高压气瓶或低温液化等物理储氢方式不同,储氢合金通过与氢化合,以金属氢化物形式储存氢,并能在一定条件下将氢释放出来。采用储氢合金来储氢,不仅具有储氢量大、能耗低、使用方便的特点,而且可免去庞大而笨重的钢制容器,使存储与运输更为方便和安全。合金作为储氢材料,根据不同的用途有不同的要求。一般来说,有以下几方面基本要求:首先,单位质量、单位体积吸
3、氢量要大,这决定了可利用的能量的多少;第二,金属氢化物形成与分解的平衡压要适当,即能在适合、稳定的氢压下大量吸、放氢;第三,吸放氢速率快,可逆性好;第四,抗氧化、湿度和杂质中毒能力强,具有高的循环寿命。这就好比生物呼吸一样,要气足、呼吸平和且顺畅。2 .储氢合金的前世今生储氢合金的研究起始于20世纪60年代,首先是美国布鲁克一海文国家研究室的Rei11y和Wiswa11发现了镁和银比为2:1形成的Mg2Ni合金;1970年荷兰菲利浦实验室发现了1aNi5合金,其在常温下具有良好的储氢性能;随后ReiIIy和WiSWan又发现了FeTi金属间化合物。此后,世界各国从未停止过新型储氢合金的研究与发
4、展。 phase Hydrogen Meta1(e.g.1i,Na,Mg,A1) Meta1orothere1ements(e.g.A1,B,N)图1储氢合金吸氢机理示意图能与氢化合生成氢化物的金属元素通常可分为两类:一类是A侧金属,如TiZr、CaMg、V、Nb、稀土元素等,这类金属元素容易与氢反应,形成稳定氢化物,并放出大量的热,称为放热型金属;另一类是B侧金属,如Fe、Co、Ni.Cr.Cu、A1等,这类金属元素与氢的亲和力小,不容易形成氢化物,氢在其间溶解时为吸热反应,因此这类金属称为吸热型金属。目前正在研究与开发应用的储氢合金基本上都是将A类金属与B类金属组合在一起,制备出在适宜温度
5、下具有可逆吸放氢能力的储氢合金。这些储氢合金主要可分为以下几大类:ABs型(稀土系),AB2型(错系与钛系),AB型(铁钛系),AzB型(镁系)储氢合金等。3 ,储氢合金的大家族3.1ABs型稀土系储氢合金以1aNiS为代表的稀土系储氢合金被认为是所有储氢合金中应用性能最好的一类,其晶体结构见图2。1aNi5室温下与几个大气压的氢反应,即可被氢化,生成1aNi5H6。储氢容量约为1.4Wt.%,25C的分解压力(放氢平衡压力)约为0.2MPa,吸放氢速率快,很适合于室温环境下使用。但其在吸氢后晶胞体积膨胀(大约23.5%),反复吸放氢过程中,合金会严重粉化。稀土系ABs型的1aNi5及相关衍生
6、合金可用于银氢电池负极材料,目前已在各国实现工业化生产。近些年来,稀土系储氢合金又发展出了非化学计量比的AB3、A2B7型储氢合金,合金储氢量比ABs型合金高,且能在室温下吸氢,如1ao.7Mgo.3Ni2.8Coo.3的可逆储氢量可达1.8Wt.%o图21aNi5的晶体结构图21aNis的晶体结构3.2.AB2型错系与钛系储氢合金AB?型1aves相储氢合金有钛基和错基两大类。错基AB2型储氢合金主要有Zr-V系、Zr-Cr系、Zr-Mn系,其中ZrMn?是一种吸氢量较大的合金(储氢量2.0wt,%,理论电化学容量482mAhg),20世纪80年代末,为适应电极材料的发展,在ZrMn2合金的
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