酸雨； 河流干涸；
，按现在的开采速度， 地球上已探明 的1770亿吨石油储量仅够开采50年;
已探明的173万亿立方米天然气仅够开采63年；
已探明的9827亿吨煤炭还可用300年到400 年; 已探明的铀储量约490万吨，钍储量约275万吨，全球441座 核电站每年消耗6万多吨浓缩铀，仅够使用100年左右。 世界各国水能开发也已近饱和，风能、太阳能尚无法满足 人类庞大的需求。
• 活性炭比表面积可达2000m2/g 以上，低温加压可吸附储氢。 活性炭原料易得，吸附储氢和 放氢操作都比较简单。 • 富勒烯 (C60)和碳纳米管 (CNT) 对氢气具有较强的吸附作用。 单层碳纳米管的吸氢量比活性 炭高，H2的吸附量可达5％-10 ％ (质量分数 )，有望成为新一 代储氢材料。
0 1 2 3 4 5
LaNi5H6
1.4wt%
per weight
TiFeH1.9
1.8wt%
Mg2NiH4
3.6wt%
Carbon nanotube (RT,10MPa 氢压)
0 1 2 3 4
4.2wt%
5
Hydrogen storage capacity (wt%)
储氢合金的储氢量比较
23
• 储氢合金材料达到实用目的，必须满足下列要求：
麻风树种植
麻风树果实-小桐子
11
• 2011年11月，从小桐子中提炼出的生物航空燃料应用于 波音747客机在首都机场首次验证试飞成功。 • 本次试飞由国航、中石油、美国波音公司和霍尼韦尔公 司合作完成，我校陈放教授应邀参加。
• 试飞成功标志着我国已具备研发生产航空生物燃料的技 术能力，这对于促进生物燃料应用，应对气候变化、解 决能源问题具有重要意义。
合金化合物储氢
• 在一定温度和氢气压力下能多次吸收、储存和释放 氢气的合金被称为储氢合金。 • 氢原子容易进入金属晶格的四面体或八面体间隙， 形 成 金 属 氢 化 物 ， 如 TiH2 、 ZrH1.9 、 PrH2.8 、 Ti1.4CoH、LaNi5H、MmNi4.5H6.6等。
a b
Hydrogen on Tetrahedral Sites
性方面优于LaNi5，价格仅为纯La的1/5。
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2009年，西博会上展出的川大宝生实 业公司生产的稀土储氢合金电池
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钛系储氢合金
• TiFe具有优良储氢特性，吸氢量约 1.75 ％ ( 质量分数 ) ，室温下释氢压力约为 0.1MPa 。价格较低，具有很 大实用价值。
• TiFe活化困难，须在450℃和5MPa压力下进行活化； 抗毒性弱(特别是O2)，反复吸释氢后性能下降。
• 大多数金属氢化物储氢量在 1 ％ -4 ％ ( 质量分数 ) 、 能量密度高，所需费用明显低于深冷液化储气和 高压储氢，原料易得，安全可靠。储氢合金已成 为各国都积极研发的一种很有前途的储氢方法。
我国生产的稀土储氢合金
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稀土系储氢合金
• LaNi5 是稀土系储氢合金的典型代表，由荷兰 Philip 实验室于1969年首先研制。 • LaNi5在室温下可与一定压力的氢气反应形成氢化物 ，如下式所示：
富勒烯C60
碳纳迷管
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无机化合物储氢
• 某些无机化合物和氢气发生化学反应可储氢，然后 在一定条件下分解可放氢。 • 利用碳酸氢盐与甲酸盐之间相互转化，吸氢和放氢 反应为：
HCO3
H2
吸氢，35℃，2.0MPa 释氢，70℃，0.1MPa
HCO2 H2O
• 以活性炭作载体，在Pd或PdO的催化作用下，以 KHCO3或NaHCO3作为储氢剂，储氢量约为2％(质 量分数)。 • 该法优点是原料易得、储存方便、安全性好，但储 氢量比较小，催化剂价格较贵。 20
Co、Cu等)和R0.2La0.8Ni5(R＝Y、Gd、Nd、Th等)。 • 用富Ce混合稀土(Mm)代替La可研制廉价的MmNi5储 氢合金，在 MmNi5 基础上开发多元合金，如 MmNi1yBy(B=Al 、 Cu、 Fe、 Mn、 Ga 、 Sn 、 Cr等 ) 系列，不
仅保持 LaNi5的优良特性，而且在储氢量和动力学特
7
• 为缓解和解决能源危机，科学家提出资源与能源最
充分利用技术和环境最小负担技术。 • 新能源与新能源材料是两大技术的重要组成部分。 • 新能源的发展必须靠利用新的原理来发展新的能源 系统，同时还必须靠新材料的开发与利用才能使新 系统得以实现，并提高其利用效率，降低成本。 • 发展新能源材料是解决能源危机的根本途径。
氢气纯化工厂
氢气纯化装置
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• 某些储氢合金的氢化物同氘、 氚化物相比，同一温度下吸释 氘氚的热力学和动力学特性有 较大差别，可用于氢同位素的 分离。 • TiNi合金吸收D2的速率为H2的 1/10 ，将含 7%D2 的 H2 导入到 TiNi合金中，每通过一次可使 D2浓缩50%，通过多次压缩和 吸收，氘的浓度可迅速提高， 同时回收大量高纯H2。
8
新能源材料
9
• 新能源包括
• 太阳能 • 生物质能 • 核能 • 风能
太阳能 核能
风能
• 地热
• 海洋能
• 氢能
潮汐能 地热
氢能
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• 2009年，世界第八大石油公 司巴西石油公司旗下的生物 能源公司代表来到成都，与 四川大学生命科学学院洽谈 ，希望能将四川的麻风树引 进到巴西种植。 • 麻风树是世界上公认的生物 能源树，其果实可全部用来 炼取生物柴油，而且在“碳 汇交易”市场上具有巨大潜 力，
30
储氢合金的应用
• 氢储存是储氢合金最基本的应用。
• 金属氢化物储氢密度高，采用 Mg2Ni 制成的储氢容 器与高压(20MPa)钢瓶和深冷液化储氢装置相比，
在储氢量相等的情况下，三者质量比为 1 ： 1.4 ： 1.2，体积比为1：4：1.3； 储氢合金储氢无需高压或低温设施，节省能源；
氢以金属氢化物形式存在储氢合金中，安全可靠 ，便于氢的运输和传递。
现代新型材料与纳米材料
New Materials and NanometerMaterials（8）
材料科学与工程学院 刘颖教授主讲
第八讲 新能源材料
New Energy Materials
2
主要内容
新能源材料
储氢材料 新型二次电池材料 燃料电池材料 太阳能电池材料 核能材料
• 氢密度很小，单位重量体积很大。目前市售氢气一 般是在150个大气压下储存在钢瓶内，氢气重量不到 钢瓶重量的1/100，且有爆炸危险，很不方便。
• 为解决氢的储存和运输问题，人们研发了相应的储 氢材料，主要包括活性炭、无机化合物、有机化合 物以及合金化合物四大类储氢材料。
常用高压氢气瓶
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活性炭储氢
主要特点
新能源材料能把原来使用的能源转变成新能源；
新能源材料可提高贮能效率，有效进行能量转换；
新能源材料可以增加能源利用的新途径。
太阳能热水器
内蒙古四王子旗太阳能电池光伏电站
14
新能源的应用
15
储氢材料
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• 氢能是人类未来的理想能源。
氢能热值高，如燃烧1kg氢可发热1.4×105kJ，相当于3kg
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• 新能源材料是指能实现新能源的转化和利用以及
发展新能源技术所需的关键材料，主要包括：
• 储氢合金为代表的储氢材料
• 锂离子电池为代表的二次电池材料
• 质子交换膜电池为代表的燃料电池材料 • 硅半导体为代表的太阳能电池材料 • 铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料 • ------------13
汽油或4.5kg焦炭的发热量； 资源丰富，地球表面有丰富的水资源，水中含氢量达到 11.1％； 干净、清洁，燃烧后生成水，不产生二次污染；
应用范围广，适应性强，可作为燃料电池发电，也可用于
氢能汽车、化学热泵等。
• 氢能的开发利用已成为世界特别关注的科技领域。
17
• 氢能利用关键是高密度安全储存和运输技术。
Hydrogen on Octahedral Sites
氢原子在合金化合物中的占位：(a)四面体；(b)八面体
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• 储氢合金可储存比其体积大1000-1300倍的氢，而且 合金中存储的氢表现为 H与 H+之间的中间特性，结 合力较弱，当金属氢化物受热时又可释放氢气。
Hydrogen storage capacity (wt%)
氢同位素的应用
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• 金属氢化物也是理想的能量转换材料。
• 氢化物热泵：以氢气为工作介质，储氢合金为能量
转换材料，相同温度下分解压不同的两种氢化物组
成热力学循环系统，以它们的平衡压差驱动氢气流 动，使两种氢化物分别处于吸氢(放热)和放氢(吸热) 状态，达到升温、增热或制冷目的。 • 德国用LaNi5/Ti0.9Zr0.1CrMn合金获得-25℃低温； • 日本用 MmNiMnAl/MmNiMnCo 制备制冷系统，连 续获得-20℃低温，制冷功率为900-1000W。
6
• 我国作为发展中大国，能源消耗巨大，能源利用 率不高，能源结构也不合理。
2009年，中国风力发电量达到了25.8亿瓦，超过了德国 的25.77亿瓦，仅次于美国35亿瓦； 2020年，中国将投入足以实现年发电量150亿瓦的风力 涡轮机，成为世界最大的风能生产国。 尽管在新能源领域有了大规模的增长，但风力发电量只 占据中国电力消耗总量的1% 。
• 为改善TiFe合金储氢特性，可用过渡元素 (M)置换部 分铁形成 TiFe1-yMy(M=Cr 、 Mn 、 Mo、 Co 、 Ni等 )。 TiFe0.8Mn0.2 可 在 室 温 3MPa 氢 压 下 活 化 ， 生 成 TiFe0.8Mn0.2H1.05氢化物，储氢量达到1.9wt％。