引言

进入21世纪以来,随着科技的进步和人们对环境可持续发展的迫切要求,绿色清洁能源(如太阳能、风能、氢能等)替代传统化石能源的话题已经逐渐由理论研究步入现实生活。在众多绿色清洁能源中,氢能因其能源密度高、储量丰富、清洁无毒、发热值高和可循环性好而受到持续、广泛的关注。由于氢能体系是以氢的化学反应提供能量,因此,如何高效、便捷地获取氢成为推动氢能发展的关键环节;同时,氢能的利用仍然受制于氢的制备、存储和运输等方面,尤其是氢能的存储更成为氢能实际应用的瓶颈之一。

国家发展改革委在《能源技术革命创新行动计划(2016—2030年)》中提出:“在大规模制氢、分布式制氢、氢的储运材料与技术,以及加氢站等方面开展研发与攻关作为战略方向,突破制氢关键技术,设计开发高活性、高稳定性和低成本的加氢/脱氢催化剂。”在分布式制氢体系中,储氢介质分解制氢以其优良的便捷性和可控性而成为最具应用前景的制氢技术。氨硼烷作为储氢介质,因其理论储氢容量高达19.6wt.%而备受人们关注。然而,如何使其蕴含的大量氢得以释放是推动其实际应用的关键环节。固体氨硼烷的热分解反应过程复杂,需要较高温度(＞350℃)才能完全分解,并且其水溶液在常温常压下具有较高的稳定性,相对稳定的化学性质使氨硼烷放氢应用范围受到极大限制。然而,向氨硼烷水溶液中加入金属催化剂后,在催化剂的作用下,氨硼烷与水在室温甚至低温下分解产生氢气,不需要额外提供能量;反应的速率一般较快,可以满足高速、纯净氢气流的使用要求。通过研究催化剂组成发现,贵金属催化剂具有较高的催化活性,例如在Pt催化剂作用下,氨硼烷的水解反应能够迅速进行。然而,贵金属催化剂因其昂贵的价格难以得到广泛应用,阻碍了氨硼烷作为储氢材料的实际应用。因此,为了降低氨硼烷水解放氢反应成本,提高其实际应用价值,改善过渡金属催化剂的催化活性成为人们的研究热点。(https://www.daowen.com)

储氢材料由于具有吸/放氢特性,成为最具发展潜能的氢存储手段。2010年,美国能源部(DOE)在未来能源计划中提出:到2017年,氢能源系统的储氢量达到5.5wt.%,以满足燃料电池等以氢气作为能源材料的能源系统。2013年的DOE金属氢化物卓越中心5年研究报告中指出:在目前研究的储氢材料体系中,镁基储氢材料由于其优良的可逆吸/放氢性能及较高的储氢容量,依然是目前储氢材料中最具应用前景的储氢材料。在镁基储氢材料储氢性能改善的研究中,降低镁基储氢材料氢化物的热力学稳定性并提高其可逆吸/放氢动力学性能一直是该领域研究的重点。虽然纯镁氢化物(MgH2)在镁基储氢材料中具有最高的储氢容量(7.6wt.%)和能量密度(9MJ/kgMg),但是较高的热力学稳定性及较差的吸/放氢动力学性能制约了其实际应用范围。研究人员分别采用将Mg与过渡金属元素制备得到镁基储氢合金、添加化合物添加剂以及物理限域等方法以改善MgH2 的吸/放氢性能。在众多镁基储氢合金中,Mg2Ni合金以其相对优良的储氢动力学性能和较低的可逆吸/放氢温度而具有较广阔的应用前景。为了进一步提高Mg2Ni合金的储氢性能,引入第三种元素使之成为三元多相储氢合金以及细化合金颗粒尺寸能够使Mg2Ni合金的储氢性能得到明显改善。同时,具有催化活性的化合物添加剂(过渡金属化合物、轻质储氢材料、金属间化合物等)与Mg2Ni合金通过球磨方式制备成复合材料后也能够有效提高其吸/放氢性能。