¿Cuáles son los materiales de almacenamiento de hidrógeno?
La aleación de almacenamiento de hidrógeno consta de dos partes. Una parte es un elemento (A) que absorbe hidrógeno o tiene una fuerte afinidad por el hidrógeno. Controla la cantidad de hidrógeno almacenado y es un elemento clave de la aleación de almacenamiento de hidrógeno. Está compuesto principalmente por metales de los grupos 1A a ⅴB, como Ti, Zr, Ca, Mg, V, Nb y Re (elementos de tierras raras). La otra parte es el elemento (B) que absorbe poco o nada de hidrógeno, controla la reversibilidad de la absorción/desorción de hidrógeno y desempeña un papel en la regulación del calor de generación y presión de descomposición, como Fe, Co, Ni, Cr, Cu. , Al, etc. La Figura 1 enumera las capacidades de almacenamiento de hidrógeno de algunos hidruros metálicos.
En la actualidad, se han desarrollado internacionalmente una variedad de aleaciones de almacenamiento de hidrógeno. Según el número de componentes metálicos de las aleaciones de almacenamiento de hidrógeno, se pueden dividir en sistemas binarios, sistemas ternarios y sistemas multicomponentes; a los principales metales de los materiales de aleación de almacenamiento de hidrógeno. Los elementos se pueden dividir en: series de tierras raras, series de magnesio, series de titanio, solución sólida a base de vanadio, series de circonio, etc. Los metales que componen las aleaciones de almacenamiento de hidrógeno se pueden dividir en tipos que absorben hidrógeno (indicados por A) y tipos que no absorben hidrógeno (indicados por B). En consecuencia, las aleaciones de almacenamiento de hidrógeno se pueden dividir en tipo AB5, tipo AB2, AB. tipo y tipo A2B. ?
Materiales de almacenamiento de hidrógeno orgánico e inorgánico
Algunas sustancias inorgánicas (como N2, CO, CO2) pueden reaccionar con H2, y los productos pueden usarse como combustible y descomponerse para obtener H2. Actualmente se está desarrollando una investigación sobre un nuevo tipo de tecnología de almacenamiento de hidrógeno. Por ejemplo, en la reacción de almacenamiento de hidrógeno de bicarbonato y formiato, se usa Pd o PdO como catalizador, carbón activado altamente higroscópico como portador y KHCO3 o NaHCO3 como agente de almacenamiento de hidrógeno. La capacidad de almacenamiento de hidrógeno puede alcanzar. 2% en peso. Las principales ventajas de este método son que es fácil de almacenar y transportar en grandes cantidades y tiene buena seguridad, pero la capacidad de almacenamiento de hidrógeno y la reversibilidad no son muy buenas.
Algunos metales pueden reaccionar con el agua para producir gas hidrógeno. Por ejemplo, se genera NaOH después de la reacción y la densidad de almacenamiento masivo de hidrógeno es del 3% en peso. Aunque esta reacción es irreversible, el NaOH se puede reducir a Na metálico mediante un horno solar. De manera similar, el Li también tiene este proceso y su densidad de almacenamiento masivo de hidrógeno es del 6,3% en peso. La principal dificultad de este método de almacenamiento de hidrógeno es la reversibilidad y el control de la reducción del metal. Hasta ahora, la aplicación del zinc ha tenido éxito.
La capacidad teórica de absorción de hidrógeno del Li3N es del 11,5 % en peso. Cuando se mantiene en una atmósfera de hidrógeno a 255 °C durante media hora, la capacidad total de absorción de hidrógeno puede alcanzar el 9,3 % en peso. A 200 ℃, si se le da suficiente tiempo, habrá absorción. Bajo un vacío de 200°C (1 mPa), se libera un 6,3% en peso de hidrógeno y el hidrógeno restante sólo puede liberarse a altas temperaturas (por encima de 320°C). A diferencia de otros hidruros metálicos, Li3N tiene dos plataformas en la curva PCT: la primera plataforma tiene baja presión y la segunda plataforma tiene una pendiente de presión.
La tecnología de almacenamiento de hidrógeno orgánico comenzó en la década de 1980. El almacenamiento de hidrógeno en la materia orgánica se logra mediante un par de reacciones reversibles entre la materia orgánica líquida insaturada y el hidrógeno, a saber, la hidrogenación y deshidrogenación catalíticas. La reacción de hidrogenación realiza el almacenamiento de hidrógeno (enlace químico) y la reacción de deshidrogenación realiza la liberación de hidrógeno. Como nueva tecnología de almacenamiento de hidrógeno, el hidruro líquido orgánico tiene muchas ventajas: gran capacidad de almacenamiento de hidrógeno, como la capacidad teórica de almacenamiento de hidrógeno del benceno y el tolueno es del 7,19% en peso y del 6,18% en peso respectivamente; las propiedades del agente de almacenamiento de hidrógeno y del portador de hidrógeno son; similares a los de la gasolina De manera similar, el almacenamiento, el transporte y el mantenimiento son seguros y convenientes, lo que facilita el uso de las instalaciones existentes de almacenamiento y transporte de petróleo. Los compuestos líquidos orgánicos insaturados se pueden reciclar varias veces como agentes de almacenamiento de hidrógeno, con una vida útil de hasta; 20 años. Sin embargo, las condiciones de hidrodeshidrogenación son duras y los catalizadores utilizados tienden a desactivarse, por lo que aún se están realizando más investigaciones. ?
Materiales de almacenamiento de nanohidrógeno
Los nanomateriales tienen muchas propiedades físicas y químicas únicas debido a su efecto de tamaño cuántico, efecto de tamaño pequeño y efecto de superficie, y se han convertido en una parte importante de la física. química, materiales y otras disciplinas fronterizas. Después de la nanonización, han surgido muchas propiedades termodinámicas y cinéticas nuevas, como un rendimiento de activación significativamente mejorado, un mayor coeficiente de difusión de hidrógeno y excelentes propiedades cinéticas de absorción y liberación de hidrógeno. Los materiales de almacenamiento de nanohidrógeno generalmente tienen un mejor rendimiento que los materiales de almacenamiento de hidrógeno ordinarios en términos de capacidad de almacenamiento de hidrógeno, ciclo de vida y tasa de hidrogenación-deshidrogenación. A medida que aumentan el área superficial específica y el número atómico de la superficie, las propiedades del metal cambian y tienen propiedades que los materiales a granel no tienen. Debido al pequeño tamaño de las partículas, el hidrógeno se difunde más fácilmente en el metal para formar una solución sólida intersticial. El fenómeno de adsorción superficial también es más obvio, por lo que la nanotecnología de materiales de almacenamiento de hidrógeno se ha convertido en un punto de investigación de materiales de almacenamiento de hidrógeno. Las aleaciones de almacenamiento de nanohidrógeno proporcionan nuevas direcciones e ideas de investigación para la investigación de materiales de almacenamiento de hidrógeno con alta capacidad de almacenamiento de hidrógeno.
Tanaka et al. resumieron las razones por las que las aleaciones de almacenamiento de nanohidrógeno tienen excelentes propiedades dinámicas: (1) Una gran cantidad de límites de nanograno facilitan la difusión de los átomos de hidrógeno (2) Los nanocristales tienen áreas de superficie específicas extremadamente altas; , lo que facilita la penetración de los átomos de hidrógeno en los materiales de almacenamiento de hidrógeno. Medio (3) Los materiales de almacenamiento de nanohidrógeno evitan la difusión a larga distancia de los átomos de hidrógeno a través de la capa de hidruro. factor en el control de las propiedades dinámicas. En general, las aleaciones de níquel-aluminio no tienen propiedades de absorción de hidrógeno. Wei Jianjun et al. utilizaron un método de flujo direccional de autosuspensión para preparar nanopartículas de AlNi compuestas intermetálicas monofásicas. Bajo ciertas condiciones, el nano-AlNi puede absorber y liberar hidrógeno a 90-100°C, y la capacidad máxima de adsorción puede alcanzar 7. 3% del peso propio del material. ?
Los materiales de carbono almacenan hidrógeno.
El almacenamiento de hidrógeno por adsorción es un nuevo método de almacenamiento de hidrógeno desarrollado en los últimos años, que tiene las ventajas de seguridad, confiabilidad y alta eficiencia de almacenamiento. Entre los materiales para adsorber y almacenar hidrógeno, los materiales carbonosos son los mejores adsorbentes. No sólo son insensibles a algunas impurezas del gas, sino que también pueden reutilizarse. Los materiales carbonosos para el almacenamiento de hidrógeno son principalmente carbón activado (AC), nanofibras de grafito (GNF) y nanotubos de carbono (CNT) con una alta superficie específica. ?
Almacenamiento de hidrógeno en hidruros de coordinación
El almacenamiento de hidrógeno en hidruros de coordinación se basa en las propiedades de los metales alcalinos (litio, sodio, potasio, etc.). ) o metales alcalinotérreos (magnesio, calcio, etc.) y elementos del tercer grupo principal pueden formar hidruros de coordinación con hidrógeno. La principal diferencia entre hidruros metálicos e hidruros metálicos es la transición a compuestos iónicos o covalentes durante el proceso de absorción de hidrógeno, mientras que el hidrógeno de los hidruros metálicos se almacena en la aleación en estado atómico.
La Tabla 1 muestra algunos hidruros de coordinación. Se puede observar que contienen una capacidad de almacenamiento de hidrógeno extremadamente alta y, por lo tanto, se han industrializado como excelentes medios de almacenamiento de hidrógeno.
Cabe señalar que la velocidad de descomposición de los hidruros de coordinación a temperatura ambiente es muy baja. Los borohidruros metálicos como LiBH4 y NaBH4 no pueden descomponerse y liberar hidrógeno hasta por encima de 300 °C en una atmósfera seca o inerte. También existen pocos estudios sobre su rendimiento en bicicleta. Por lo tanto, Bogdanovic et al. utilizaron NaAlH4 como objeto de investigación y descubrieron que el catalizador puede reducir su energía de activación y que el rendimiento catalítico del Ti4+ es mejor que el del Zr4+.
Para la investigación y el desarrollo de hidruros de coordinación, se necesita más investigación para encontrar nuevos catalizadores u optimizar la combinación de catalizadores existentes (Ti, Zr, Fe) para mejorar su rendimiento de evolución de hidrógeno a baja temperatura y su rendimiento del ciclo. . ?
Almacenamiento de hidrógeno hidratado
El hidrato de gas, también conocido como hidrato de poro, es un cristal similar al hielo formado por moléculas de agua a través de enlaces de hidrógeno y moléculas invitadas bajo la acción de van der Waals débiles. fuerzas El cuerpo principal consta de agujeros. Su ecuación de reacción general es:
R+NH2O-R NH2O (sólido) 1△ H (calor de reacción)
El hidrato generalmente tiene tres estructuras, como se muestra en la Figura 2 y la Tabla 2 mostrados. Muchos gases o líquidos volátiles pueden reaccionar con el agua bajo ciertas condiciones de temperatura y presión para formar hidratos de gas, como gas natural, dióxido de carbono y varios refrigerantes freón.
El almacenamiento de hidrógeno hidratado tiene muchas ventajas: en primer lugar, los procesos de almacenamiento y liberación de hidrógeno son completamente opuestos. El material de almacenamiento de hidrógeno es agua y el producto restante después de la liberación de hidrógeno es solo agua. El agua es abundante en la naturaleza, existe y es barata; en segundo lugar, las condiciones de temperatura y presión para la formación y descomposición son relativamente bajas, la velocidad es rápida y el consumo de energía es bajo. Solo se necesitan unos minutos para que el hielo en polvo forme hidrato de hidrógeno, y solo se necesitan unas pocas horas para que el hielo en bloque forme hidrato de hidrógeno. Cuando los hidratos se descomponen, dado que el hidrógeno existe en los poros del hidrato en forma de moléculas, puede. Sólo se hidrata a temperaturas y presiones normales. Se liberan sustancias, el proceso de descomposición es muy seguro y consume menos energía. Por tanto, es de gran importancia estudiar el uso de hidratos para el almacenamiento de hidrógeno. Estados Unidos, Japón, Canadá, Corea del Sur y Europa han iniciado investigaciones experimentales y análisis teóricos preliminares.