文 献 综 述

1.引言

随着历史的变迁和社会的进步，人类的发展越来越依赖于能源。而目前，人类社会正面临着前所未有的化石能源枯竭和环境污染的双重压力。在这种情况下，人们试图寻找新的能源来代替传统的化石能源，以从根本上解决社会发展的能源危机困境。这推动了太阳能、风能、潮汐能和太阳能等清洁可再生能源的快速发展。但是，这些清洁的可再生能源都在不同程度上具有局限性，如时间局限、空间局限、能源输出的不稳定性、能源的转换率低、配套的能源体系不清洁等。

氢是世界上已知的化学结构最简单、分布范围最广、储存量最大的元素^[1]。氢容易通过物理吸附或化学反应与其他元素发生结合，拥有高能量密度，且燃烧产物仅仅是水，这使得它在能源载体方面具有得天独厚的优势^[2-4]。但是，要使氢能商业化利用还需要解决氢的制备、储存、运输和转换等方面的技术难关。为此，世界上的发达国家都针对氢能的利用做出了一系列专项计划和研究，如美国能源部（Department of Energy, DOE）的”氢燃料电池项目”（Hydrogen and Fuel Cells Program），欧盟的第六(2003~2006年）和第七（2007-2013年）研究框架中的氢燃料电池平台计划，日本的”日光计划”和”新日光计划”中的氢能及燃料电池的基础和应用项目，我国作为能源需求大国，就氢能的研究和应用也投入了大量的人力和物力，如”973计划”和”863计划”中的燃料电池、氢能专项研究^[5]。

在清洁能源系统中使用氢能一般包括三个步骤：利用清洁能源制取氢、氢的储存和运输以及氢的能量转换。目前，制取氢有以下途径：电解水制氢^[6.7]、生物质能转换制氢^[8]、热分解制氢^[9]、光催化制氢^[10]、化石燃料重整制氢^[11.12]、微生物制氢等。上述的制氢方法的技术不同，所带来的经济和环境效益也就不同。电解水制氢是通电使水电离为氢气和氧气，它的能源效率低，其成本与汽油的价格不相上下；光催化制氢是在光敏催化剂的作用下，利用太阳光分解水制氢，但目前光的利用率较低，仅为16%，如果能提高其利用率，对清洁能源的发展将起到历史性的跨越作用；化石燃料重整制氢是将化石燃料（主要是甲烷）和水蒸气放在同一转化器中，反应后氢被从燃料中剥离出来，而留下碳形成副产物二氧化碳，其技术已经成熟，成本也已具备市场竞争力，但是其根本上还是依赖于化石燃料。综上，氢能的发展，涉及到能源、经济和环境等多方面的因素，因此，氢能的技术应用要根据使用目的的不同而选取最佳的途径。

氢的储存就是指将氢以安全、合适的方法储存，以便于运输和使用，或者通过其他装置使得氢的能量以需要的形式释放出来。目前，根据氢的存储状态的不同，储氢可以分为四类：气态储氢、液态储氢、固态储氢和混合储氢。气态储氢是通过物理的方法，通过高压将氢气压缩到具有一定耐压强度的储存罐中^[13]。在压缩时需要过高的能量消耗，同时气瓶的安全存在隐患，所以，该方法的局限性较大^[14.15]。液态储氢是指在一个标准大气压下，温度降到-252.7℃一下，氢气被液化。液氢的质量能量密度和体积能量密度分别为120MJ/kg和10MJ/kg，从能量密度方面看，液态储氢有明显的优势，但是其液化消耗的成本较高同时液氢的挥发无可避免，这导致液氢一般不大规模使用，但是其在火箭发动机的液体推进器上有显著地优势^[16]。固态储氢是通过物理吸附机制或化学反应，将氢储存在固体材料中，以固态的方式实现氢的存储^[17]。该固体材料就是通常所说的储氢材料。混合储氢是将两种不同的储氢方式结合在一起，将两者的优势发挥和回避劣势^[18]。

2.镁基储氢材料

自1866年苏格兰科学家T#183;Graham发现金属Pd可以大量吸氢以来，经过150年的推移，储氢材料迅速发展，储氢体系不断扩大。研究人员在寻找新的储氢体系的同时，也在研究提高储氢材料的性能，以及深入探讨具体的科学机理。这些都对储氢材料的发展起到了举足轻重的作用。

储氢材料可以根据其吸附机制分为三类：基于化学吸附机制的储氢材料、基于物理吸附的储氢材料和混合储氢材料。基于化学吸附机制的储氢材料有金属氢化物、配位化合物、化学氢化物等材料。基于物理吸附机制的储氢材料有碳纳米材料、介孔材料、金属有机框架材料等。符合储氢材料是将同种材料或者不同种材料进行复合，进而实行储氢，如金属氨基化合物-金属氢化物复合等。复合储氢材料的多样性及其复合后结构的复杂性为提高材料的储氢性能奠定了基础。

本设计着重讨论基于化学吸附机制的镁基储氢材料。镁基储氢材料是最早被研究的储氢材料之一。MgH₂的理论质量储氢密度和体积储氢密度分别为7.6wt%和110kg/m³，因此，以镁为基体的储氢材料一般具有较高的储氢容量。其次，世界上镁的储量丰富，经济成本低，同时镁的工业技术成熟，适合工业化大批量生产和使用。总之，镁基合金是一类具有实用价值的高储氢容量的储氢材料。