文 献 综 述

1 引言

氢能因其资源丰富、能量密度值高（141.2 MJ/kg）、清洁、导热性能良好、用途广泛等特点，引起了众多学者的广泛关注，并且被誉为”21世纪的能源”^[1]。而且氢能作为一种洁净高效的二次能源载体^[2]，能够作为化石资源、核能、可再生能源的终端能源，促进多元化能源战略的实现，故而氢能还被认为是由传统化石能源向可再生新能源发展的途径之一，是实现能源可持续供给和循环的重要能源载体。

氢能的体系的主要技术环节包括氢的生产、存储、输送和使用，其中氢的存储是最关键的环节之一。现在实际应用的储氢方法主要有：(1)气态储氢；(2)液化储氢；(3)固态储氢。其中气态储氢的能量密度低且不安全，液态储氢的能耗高且对储罐绝热性能要求高，而固态储氢则有体积储氢容量高、无需高压及绝热容器和安全性好等优点。

镁正是一种可以制成一些有前景的固态储氢材料的材料。它是一种轻质的金属，在地壳（主要是碳酸盐）和海水（以氯化物的形式）中丰富地存在，而且相对便宜。该金属与氢可逆地进行反应形成具有中等储氢能力(7.6 wt.%)的镁氢化物（MgH₂）。但是MgH₂的一些缺点限制了其作为移动储氢系统的应用。纯的MgH₂在很高的温度下(350 ℃)才能释放（放/脱）氢。重复使用此温度所需的热量既昂贵又降低了移动应用程序的可行性。由于镁首先在固气界面与氢反应，随后的氢化需要氢气通过氢化镁层扩散进行，而这一步反应较慢。较差的动力学性能限制了氢气的存储速度。此外，由于反应不是放热（储氢）就是吸热（放氢），因此材料中的热传输是非常重要的因素，而MgH₂具有很低的热导率（约为0.4 W/mK）^[3]。因此需要研究新型催化剂以提高MgH₂储氢材料在吸/放氢时的热力学和动力学性能。

2 MgH₂储氢材料

2.1 MgH₂储氢材料概述

MgH₂可以直接通过纯金属和氢气反应合成。从热力学方面来看，该反应在超低压（lt;1 bar）和低温（至少低于50 ℃）应该能进行，然而实际上，动力学是缓慢的，需要更高的压力和温度来提供压力驱动和热能来改善动力学性能。若不添加催化剂，则活化（穿过氧化物或氢氧化物表面层）需要更高的温度提供能量#8212;#8212;在氢气压力达70 atm时温度控制在350 ℃以上。对于吸附，该反应受限于氢分子的吸附和解离、通过任何现有的氢化物层的扩散和氢化物的成核的组合步骤。对于解吸，该过程包括金属相的成核、原子氢通过金属和氢化物的扩散以及在表面处重新组合成氢分子。氢解吸的速率限制过程是氢气通过氢化物材料的扩散^[4]。

由于解吸需要高温且动力学缓慢，因此块状MgH₂不适合用作储氢材料。也正因如此，很多人在提高吸氢性能方面已经做了大量研究。与少量作为催化剂或反应路径改性剂的其他材料结合表明在吸氢和放氢动力学方面有所改善。

2.2 MgH₂储氢材料的研究进展