前沿综述：近室温温区化学吸附储氢材料的研究

作者：杨超月

　　导读

　　本文考察了目前最亟待达成的室温低压储氢领域的研究进展，主要综述了：

　　(1) 从微观角度上解释了化学吸附储氢的热力学和反应过程的化学吸附规律。在金属分类的基础上，对目前储氢材料的机理、性能和缺陷进行了分类阐述。

　　(2) 各种催化剂、金属化合物和碳材料的添加可以提高近室温化学吸附材料的储氢性能。采用实验合成方法如高温熔融、退火、高能球磨、不同试剂改性等工艺或利用理论模型计算可以有效地进行优化与实现。

　　(3)通过材料改性使化学吸附材料的工作温区调整至近室温温区往往不可避免地伴随吸附容量、循环稳定性和反应动力学的下降。

　　研究背景及意义

　　可再生能源的开发和利用对实现当前碳中和目标意义重大。其中无碳燃料替代传统化石燃料，除了能够降低污染物排放，更能实现零碳排放，大大促进未来交通运输行业的发展。无论是作为燃料还是燃料电池介质，氢能都是公认的清洁能源，作为零碳能源的代表氢能也正在脱颖而出。氢能产业价值链包括制氢、储氢、运氢、加氢、用氢的环节，储氢无疑成为其中非常重要的一环。氢在应用中应能稳定储存，并在所需的状态、压力和温度下输出稳定的氢流，这对氢能产业链十分重要。固体吸附储氢技术可以降低储氢压力和额外能耗，是能有效解决当前储氢难点的新技术。固体吸附可分为物理吸附和化学吸附两大类。物理吸附是由吸附质和吸附剂分子间作用力所引起，吸附剂表面的分子由于作用力没有平衡而保留有自由的力场来吸引吸附质。化学吸附基于材料与氢气的可逆反应，根据反应条件的不同，不同材料适配各种工作温区，从而通过吸附剂选择降低额外的能量消耗。化学吸附材料主要包括碱土金属、稀土金属和多种合金。对于储氢目标，不同基础材料通过实验室改性达到美国能源部6.5wt.%的目标将是极大的成功，其储氢容量将超过目前常规的高压储氢罐；若在室温条件下能够完成储氢循环，其在实际运输行业的应用前景将有巨大的突破，能够有效地应用于氢能源汽车等移动设备或设施，符合当今碳中和目标；研究中的制备过程还有结果及分析可以带来重要的理论基础，并且从储氢材料优化方面对多种材料的改性提供指导和理论基础。

　　研究内容及主要结论

　　在这篇综述中，定义了-20°C 至100°C的近室温温区，重点关注了在该温区内的固体化学吸附储氢材料的制备与性能表现，同时进行了筛选和总结。储氢材料从单质到复合材料进行了由浅入深的讨论。针对化学吸附机理，从晶格结构、相平衡、热力学过程和机械变形等方面研究和总结了氢气的化学吸附机理。根据金属氢化物的分类，每种金属都有其特点和不足，得出了针对目标温度和容量的具体优化方法。着重分析机械和化学合成路线对于材料综合性能的影响，同时考虑使用分子模拟和量子模拟筛选最佳材料。这篇综述总结了在接近环境温度下化学吸附的储氢候选材料和相关的改变吸附温区技术，并为储氢的进一步发展提供了指导。

前沿综述：近室温温区化学吸附储氢材料的研究

图1 固体化学吸附储氢材料研究路线

　　原文信息

Chemisorption solid materials for hydrogen storage near ambient temperature: a review

Zhi JIANG, Yiheng ZHANG, Shaofei WU, Liwei WANG*, Xuefeng ZHANG

　　Author information: Institute of Refrigeration and Gryogenic, Key Laboratory of Power Machinery and Engineering of the Ministry of Education, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

　　Abstract: Solid chemisorption technologies for hydrogen storage, especially high-efficiency hydrogen storage of fuel cells in near ambient temperature zone defined from −20 to 100°C, have a great application potential for realizing the global goal of carbon dioxide emission reduction and vision of carbon neutrality. However, there are several challenges to be solved at near ambient temperature, i.e., unclear hydrogen storage mechanism, low sorption capacity, poor sorption kinetics, and complicated synthetic procedures. In this review, the characteristics and modification methods of chemisorption hydrogen storage materials at near ambient temperature are discussed. The interaction between hydrogen and materials is analyzed, including the microscopic, thermodynamic, and mechanical properties. Based on the classification of hydrogen storage metals, the operation temperature zone and temperature shifting methods are discussed. A series of modification and reprocessing methods are summarized, including preparation, synthesis, simulation, and experimental analysis. Finally, perspectives on advanced solid chemisorption materials promising for efficient and scalable hydrogen storage systems are provided.

　　Keywords: hydrogen storage capacity, chemisorption, near-ambient-temperature, modification methods, alloy hydrides