1、一、绪言 氢二十一世纪的绿色能源l2023-5-4l11.基本特性基本特性Guangdong Ocean University1.1能源危机与环境问题化石能源的有限性与人类需求的无限性石油、煤炭等主要能源将在未来数十年至数百年内枯竭！（科技日报，2004年2月25日，第二版）化石能源的使用正在给地球造成巨大的生态灾难温室效应、酸雨等严重威胁地球动植物的生存！人类的出路何在？新能源研究势在必行！1.基本特性基本特性Guangdong Ocean University1.2 氢能开发，大势所趋氢能开发，大势所趋X氢是自然界中最普遍的元素，资源无穷无尽不存在枯竭问题X氢的热值高，燃烧产物是水零排放，
2、无污染，可循环利用X氢能的利用途径多燃烧放热或电化学发电X氢的储运方式多气体、液体、固体或化合物l2023-5-4l31.基本特性基本特性Guangdong Ocean University1.3 实现氢能经济的关键技术廉价而又高效的制氢技术安全高效的储氢技术开发新型高效的储氢材料和安全的储氢技术是当务之急车用氢气存储系统目标：IEA:质量储氢容量5%;体积容量50kg(H2)/m3DOE:6.5%,62kg(H2)/m3l2023-5-4l4l2023-5-4l5气态储氢：1)能量密度低2)不太安全液化储氢：1)能耗高2)对储罐绝热性能要求高l2023-5-4l6固态储氢的优势：1)体积储氢
3、容量高2)无需高压及隔热容器3)安全性好，无爆炸危险4)可得到高纯氢，提高氢的附加值1.基本特性基本特性Guangdong Ocean University2.1 体积比较体积比较l2023-5-4l7l2023-5-4l82.2 氢含量比较氢含量比较0123450123454.2wt%Carbon nanotube(RT,10MPa 氢压)3.6wt%1.8wt%1.4wt%Hydrogen storage capacity(wt%)LaNi5H6 TiFeH1.9 Mg2NiH4 Hydrogen storage capacity(wt%)per weightl2023-5-4l9三、储氢
4、材料技术现状3.1 金属氢化物3.2 配位氢化物3.3 纳米材料l2023-5-4l10金属氢化物储氢特点反应可逆氢以原子形式储存，固态储氢，安全可靠较高的储氢体积密度Abs.Des.M+x/2H2MHx+H l2023-5-4l113.1 金属氢化物储氢目前研制成功的：稀土镧镍系钛铁系镁系钛/锆系l2023-5-4l12稀土镧镍系储氢合金稀土镧镍系储氢合金v 典型代表：LaNi5,荷兰Philips实验室首先研制v 特点：活化容易平衡压力适中且平坦，吸放氢平衡压差小抗杂质气体中毒性能好 适合室温操作v 经元素部分取代后的MmNi3.55Co0.75Mn0.47Al0.3(Mm混合稀土，主要成
5、分La、Ce、Pr、Nd)广泛用于镍/氢电池l2023-5-4l13钛铁系典型代表：典型代表：TiFe，美，美Brookhaven国家实验室首国家实验室首先发明先发明 价格低价格低 室温下可逆储放氢室温下可逆储放氢 易被氧化易被氧化 活化困难活化困难 抗杂质气体中毒能力差抗杂质气体中毒能力差实际使用时需对合金进行表面改性处理实际使用时需对合金进行表面改性处理l2023-5-4l14镁系典型代表：Mg2Ni，美Brookhaven国家实验室首先报道储氢容量高资源丰富价格低廉放氢温度高（250300）放氢动力学性能较差改进方法：机械合金化加TiFe和CaCu5球磨，或复合jjkkll2023-5-
6、4l15钛/锆系具有Laves相结构的金属间化合物原子间隙由四面体构成，间隙多，有利于氢原子的吸附TiMn1.5H2.5 日本松下（1.8）Ti0.90Zr0.1Mn1.4V0.2Cr0.4活性好用于：氢汽车储氢、电池负极Ovinic l2023-5-4l163.2配位氢化物储氢碱金属（Li、Na、K）或碱土金属（Mg、Ca）与第三主族元素(B、Al)形成储氢容量高 再氢化难(LiAlH4在TiCl3、TiCl4等催化下180，8MPa氢压下获得5的可逆储放氢容量)l2023-5-4l17金属配位氢化物的的主要性能l2023-5-4l183.3碳纳米管（CNTs）1991年日本NEC公司Iij
7、ima教授发现CNTsl2023-5-4l19纳米碳管储氢-美学者Dillon1997首开先河单壁纳米碳管束TEM照片多壁纳米碳管TEM照片l2023-5-4l20纳米碳管吸附储氢：Hydrogen storage capacities of CNTs and LaNi5 for comparison(data deternined by IMR，RT，10MPa)l2023-5-4l21 多壁纳米碳管电极循环充放电曲线，经过100充放电后 保持最大容量的70单壁纳米碳管循环充放电曲线，经过100充放电后 保持最大容量的80l2023-5-4l22碳纳米管电化学储氢小结 1.纯化处理后多壁纳米
8、碳管最大放电容量为 1157mAh/g，相当于4.1重量储氢容量。经过100充放电后，其仍保持最大容量的70。2.单壁纳米碳管最大放电容量为503mAh/g，相当于1.84重量储氢容量。经过100充放电后，其仍保持最大容量的80。l2023-5-4l23四、结束语氢能离我们还有多远？E氢能作为最清洁的可再生能源，近10多年来发达国家高度重视，中国近年来也投入巨资进行相关技术开发研究E氢能汽车在发达国家已示范运行，中国也正在筹划引进E氢能汽车商业化的障碍是成本高，高在氢气的储存E液氢和高压气氢不是商业化氢能汽车安全性和成本E大多数储氢合金自重大，寿命也是个问题；自重低的镁基合金很难常温储放氢、位
9、氢化物的可逆储放氢等需进一步开发研究,E碳材料吸附储氢受到重视，但基础研究不够，能否实用化还是个问号氢能之路前途光明，道路曲折！l形状记忆材料形状记忆材料形状记忆合金的发现2020世纪世纪6060年代初，美国马里兰州海军军年代初，美国马里兰州海军军械研究所的科学家比勒，用镍钛合金丝做试械研究所的科学家比勒，用镍钛合金丝做试验。这些合金丝弯弯曲曲，为了使用方便，验。这些合金丝弯弯曲曲，为了使用方便，他把这些合金丝弄直了。但是，当他无意中他把这些合金丝弄直了。但是，当他无意中把合金丝靠近火的时候，奇迹发生了：已经把合金丝靠近火的时候，奇迹发生了：已经弄直的合金丝居然完全恢复了它们原来弯弯弄直的合金
10、丝居然完全恢复了它们原来弯弯曲曲的形状。曲曲的形状。l形状记忆效应可分为3种类型：l单程形状记忆效应l双程形状记忆效应l全程形状记忆效应 l形状记忆材料l单程形状记忆效应材料在高温下制成某种形状，l 在低温相时将其任意变形，l 再加热时恢复为高温相形状，l 而重新冷却时却不能恢复低 l 温相时的形状。l形状记忆材料l图1 单程形状记忆效应l双程形状记忆效应加热时恢复高温相形状，冷l 却时恢复低温相形状，即通 l 过温度升降自发可逆地反复l 恢复高低温相形状的现象，l 或称为可逆形状记忆效应。l形状记忆材料l图2 双程形状记忆效应l全程形状记忆效应当加热时恢复高温相形状，冷l 却时变为形状相同而
11、取向相反l 的高温相形状的现象。只能在l 富镍的Ti-Ni合金中出现。l形状记忆材料l图3 全程形状记忆效应形状记忆合金的特点形状记忆合金材料是一形状记忆合金材料是一种新型的功能材料，其种新型的功能材料，其特点是在一定的外力作特点是在一定的外力作用下可以改变其形态用下可以改变其形态(形形状和体积状和体积)，但当温度升，但当温度升高到某一定值时，它又高到某一定值时，它又可完全恢复原来的形态。可完全恢复原来的形态。l通过形状记忆合金模仿肌肉的收缩来实现人工肌肉的功能。用背部的金属纤维振动翅膀形状记忆合金的用途（一）在航空上的应用月球上的“奇葩”l在室温下用形状记忆合金制在室温下用形状记忆合金制成抛
12、物面天线，然后把它揉成抛物面天线，然后把它揉成直径成直径5厘米以下的小团，放厘米以下的小团，放入阿波罗入阿波罗11号的舱内，在月号的舱内，在月面上经太阳光的照射加热使面上经太阳光的照射加热使它恢复到原来的抛物面形状。它恢复到原来的抛物面形状。这样就能用空间有限的火箭这样就能用空间有限的火箭舱运送体积庞大的天线了。舱运送体积庞大的天线了。l形状记忆材料和智能材料lTi-Ni形状记忆合金制造的人造卫星天线工程应用工程应用:紧固件、连接件、密封垫、管件接头等紧固件、连接件、密封垫、管件接头等l图13 形状记忆合金用作铆钉的工作原理图l形状记忆材料形状记忆合金的用途（二）在医学上的应用在医学上的应用
13、合金作为驱动元件，具有可动的肩、肘、腕及手合金作为驱动元件，具有可动的肩、肘、腕及手指的微型机械手。手指和手腕靠指的微型机械手。手指和手腕靠TiNiTiNi合金螺旋弹合金螺旋弹簧的伸缩实现开闭和弯曲动作，肘和肩是靠直线簧的伸缩实现开闭和弯曲动作，肘和肩是靠直线状的状的TiNiTiNi合金丝的伸缩做弯曲动作，各个形状记合金丝的伸缩做弯曲动作，各个形状记忆合金驱动元件都由直接通上的脉宽可调电流加忆合金驱动元件都由直接通上的脉宽可调电流加以控制。以控制。l医疗领域应用:牙齿矫形丝、血栓过滤器、动脉瘤 夹、接骨板等（Ti-Ni合金）l图14 支撑性与柔韧性完美协调l 的Ti-Ni记忆合金食道支架l形状
14、记忆材料l 图15 记忆金属Ti-Ni合金支架治疗食管狭窄l支架形状的回复力对组织产生持续而柔和的扩张作用，支架植入后患者的进食困难症状明显减轻，由于生物相容性好，可较长期放置体内。l主要适应症包括：中晚期食道癌、食道癌术后复发和食道癌放疗后引起的吞咽困难等。治疗后10分钟内可解除吞咽困难，增加进食量，明显改善生活质量。l形状记忆材料l形状记忆材料l图16 Ti-Ni合金制作的多种支架l(a)尿道支架l(b)食道支架l(c)胆道支架l(d)气管支架l智能应用 形状记忆合金是一种集感知和驱动双重功能为l 一体 的新型材料，可广泛应用于各种自动调节l 和控制装置，如各种智能、仿生机械。l形状记忆材料l通过形状记忆合金模仿肌肉的收缩来实现人工肌肉的功能。用背部的金属纤维振动翅膀
