载镍量对镁-镍/石墨烯复合物储氢性能的影响

1.1 引言

随着人类社会的发展，人类对能源的需求越来越大。现在人类的主要能源是石油、煤炭等化石能源，在几乎整个二十世纪，占能源消耗份额的80%以上。在使用这些能源的时候，石油、煤炭等不可再生性能源在造成环境污染的同时也在日渐枯竭，为了实现国民经济乃至于全人类的可持续性发展， 开发和利用清洁能源就成为关系到国家、人类存亡的战略性挑战。

氢能因其贮量丰富、无毒无害以及发热值高等优点成为人类理想的新型能源。氢氧燃料电池氢能的利用率高达50%~60%，无污染，已成为电动汽车能源的有力竞争者之一。地球表面3/4被水覆盖，水中含氢量高达11.1%；氢气燃烧后所产生的产物为水，不会造成环境污染；1kg的氢气燃烧才生的热量1.25#215;10⁵KJ，相当于3kg汽油或4.5kg焦炭完全燃烧所产生的能量。但氢气的利用还存在着制备、运输、储存等难题^[1]，其中氢气的制备技术相对比较简单，已经趋于成熟，而氢气的储存和运输，依然存在着各种技术难题，特别是氢气的储存技术。因为氢气正常情况下都是以气体形式存在，单位体积内能储存的氢气的量极其有限，传统的高压气瓶或以液态、固态储氢都不经济也不安全。氢的储运按氢的储存方法可以分为三种^[2]：第一种是气体氢储存技术，即将氢气压缩后存储在高压容器中，缺点是钢瓶储存氢气的容积小、储氢量小，并且有爆炸的危险；第二种是液态氢储存技术，即将氢气液化后存储在绝热容器中，缺点是液体储存箱非常庞大，需要极好的绝热装置来隔热，并且容易渗漏；第三种是固体氢储存技术，即氢气与储氢材料通过物理或化学的方式相结合的固体储氢方式，能有效克服气、液两种储存方式的不足，而且储氢体积密度大、安全度高、运输方便、操作容易。对于氢气能否完美应用，氢气的储存问题解决与否起着决定性的作用。

当前研究开发的储氢合金^[3]有镁系、稀土系、钛系、锆铁系等。由于镁系储氢合金重量轻、价格低廉、资源丰富以及其超过所有的可逆金属氢化物的强储氢能力，而备受世界各国关注。近年来，国内外的学者做了大量的研究工作来改善镁基储氢材料的吸放氢性能。这些研究工作主要包括：多元合金化、纳米镁基储氢材料、非晶态镁基储氢合金、复合镁基储氢材料、添加催化剂和表面处理等。

1.2 关于镁基储氢的研究

1.2.1 镁基储氢合金

镁元素是地球上储量最丰富的元素之一，在地壳表层金属矿资源含量为2. 3%，位居常用金属的第4位。纯镁的密度为1.74g/cm³，是工业应用中最轻的结构金属材料，将镁合金用于航空航天、交通运输、民用建筑等行业可以有效实现轻量化，减少能源消耗，缓解日益严重的能源问题。

镁合金储氢容量大，一直受到广泛重视，镁基复合物保持了镁基储氢材料的优点，如储氢容量大，充放氢速度快而且放氢温度较低^[4-5]。镁镍合金(Mg₂Ni) 作为储氢合金中的一种，被认为是最具有应用和开发价值的储氢材料，而第三种元素的加入可以使Mg₂Ni 合金降低吸放氢反应的热效应，提高储氢材料的吸放氢性能和吸放氢速度，降低吸放氢温度^[6]；近期，由于纳米材料研究热潮的带动，以碳和纳米碳材料进行储氢成为研究的热点。

1.2.2镁基储氢材料的制备