储氢材料：储存性能的表征.pdf

国际电气工程先进技术译丛储氢材料：储存性能表征（英）Darren P.Broom 著刘永锋 潘洪革 高明霞 等译 机 械 工 业 出 版 社 本书是国际著名储氢材料表征和气体吸附测试专家 Darren P.Broom博士专著的中译本。本书首先介绍了储氢技术的基本知识以及各类研究中的储氢材料，并结合储氢材料与应用相关的各项性能指标及其影响因素，着重讨论了不同性能和物理、化学性质表征手段的特点及适用范围，还列举了一些实际测试中可能碰到的问题。本书引用了大量的参考书籍和文献，便于读者学习和使用。本书对于储氢领域的资深研究者来说是一本实用的参考书，也可以帮助新进入储氢领域的研究者迅速掌握储氢材料特别是储氢材料表征的基础知识。此外，本书对于物理和化学等相关领域的研究者和工业界人士也有一定的参考价值。Translation from English language edition：Hydrogen Storage Materialsby Darren P.BroomCopyright 2011，Springer LondonSpringer London is a part of Springer Science Business Media.All Rights Reserved.本书中文简体字版由机械工业出版社出版，未经出版者书面许可，不得以任何方式复制或发行本书的任何部分。版权所有，翻印必究。本书版权登记号：图字 01-2012-1675 号。译者序在能源危机和环境污染日益严重的今天，新型清洁能源的开发和利用已经成为世界各国关注的焦点。其中，氢具有清洁、储量丰富和能量密度高等优点，将在未来的能源结构中占据重要地位，而氢的储存技术一直是氢能领域的研究热点之一。用于氢储存的固态材料经历了多个发展阶段，从 20 世纪 60 年代储氢合金的发现到 80 年代多孔材料储氢的研究；90 年代末期，储氢材料的研究又进入了新的发展阶段，温和条件下 NaAlH4可逆储氢的实现极大地促进了对金属配位氢化物、金属氮氢化合物以及化学氢化物储氢的研究。不同类型储氢材料的物理、化学性质差别较大，储氢性能也明显不同，从而对表征手段提出了差异化的要求。此外，已有的储氢材料表征方法在近年获得了显著改进，新的表征技术也不断涌现。在储氢性能测定方面，体积法、重量法、温控脱附及其与色谱和质谱的联用技术等已经广泛应用于各类储氢材料。在结构解析和吸放氢机理研究方面，X 射线衍射、中子衍射、红外光谱、拉曼光谱、核磁共振谱、X 射线光电子能谱等测试手段也已广泛用于储氢材料的研究中。对于储氢领域的研究者来说，要在大量的表征方法，特别是在新型表征方法中选择适用于自己研究对象的方法，往往是较困难的。从这个意义上来说，Darren P.Broom 博士所著的 储氢材料：储存性能表征 是一本兼具索引、汇编和综述的好书。作者毕业于英国 Salford 大学，现就职于 Hiden Isoche-ma 公司，是储氢材料表征和气体吸附测试方面的知名专家，在储氢材料表征方面具有深厚的造诣。该书不仅对从事储氢材料研究的工作者和相关仪器开发的研究者来说是非常实用和方便的参考书，而且对于物理、化学及材料等领域的研究者也是很有价值的。本书第 1 章和第 2 章首先介绍了储氢领域的基本概念以及现有的各类储氢材料；第 3 章介绍了储氢材料的各项性能指标以及相关的影响因素；第 4 章和第 5 章分别介绍了储氢材料的储氢性能的表征方法及其物理、化学性质表征方法；第 6 章归纳了一些储氢材料表征实验中需要注意的问题；第 7 章对全书进行了总结。本书全面而系统地介绍了储氢材料的各项性能指标以及相应的性能和物理、化学性质表征方法，并引用了大量的参考书籍和文献，有利于读者学习和参考。本书由浙江大学材料系刘永锋、潘洪革和高明霞等翻译。其中第 1 章由顾 储氢材料：储存性能表征坚和高明霞翻译，第 2 章由张欣和刘永锋翻译，第 3 章由张怡和李由翻译，第4 章由庞越鹏和潘洪革翻译，第 5 章由杨燕京和李超翻译，第 6 章由马瑞军和顾颖洁翻译，第 7 章由燕平和刘永锋翻译。全书由刘永锋和潘洪革统稿、审阅和校对。本书中介绍的储氢材料的表征技术涉及物理、化学和材料领域的测试方法，相关知识范围很广。由于我们能力有限，书中可能存在许多翻译不准确、甚至不正确的地方，欢迎读者随时提出宝贵的意见和建议，在此表示诚挚的谢意。译 者2013 年 7 月 2 日前言近十年来，氢燃料电池汽车和其他氢基交通运输技术对于合适的储氢技术的需求，极大地推动了储氢领域的研究。单位重量内氢能储存大量的化学能。但是，纯氢在室温条件下以密度较低的气态形式存在。大量的研究表明，氢气储存是从基于化石燃料的输运系统向以氢为主要能源载体的输运系统平稳过渡的主要障碍。我们现在对石油的依赖存在不少问题，包括不可再生的储量、能源安全以及所导致的气候变化等。现在普遍认为，向氢能源过渡是解决上述问题较好的方案，国际上的努力加速了这一过渡的进程。最近，日本本田汽车公司推出了氢燃料电池汽车（FCX Clarity），这是第一款量产的氢燃料电池汽车，体现出汽车工业引领了氢燃料电池技术的商业化。然而，仍然存在燃料电池的寿命、成本以及氢气储存等实际问题。在储氢技术方面，固体材料储氢技术是一个有希望的潜在解决方案。高效可逆储氢材料的发现和发展标志着向氢燃料未来迈进了一步。可逆储氢材料一般是氢化物或微孔吸附材料，已有一些关于金属氢化物或利用气体吸附试验表征多孔材料的著作。关于氢化物的著作致力于论述金属-氢系统的性能，包括热力学、磁学和晶体学等性能。多孔材料方面的著作针对使用氢气外的其他气体吸附表征多孔材料和粉末的孔结构或表面积。此外，大约就在 2009 年，由于对氢能兴趣的日益增长，出版了一些固态储氢方面数据的著作。但是，这些著作都不是从实用化的角度出发并结合储氢性能或氢气吸附性能的表征来阐述候选材料的性能的，而这恰恰是非常重要的。因为如果没有高准确度的表征，就不能准确地评价材料的储氢性能，与其他候选材料的比较也就无从谈起。然而，考虑到氢气的物理性质、储氢应用所需的高压测试环境和许多材料较易受到污染，技术上急需一种吸放氢测量的实用化手段，特别是对于储存应用。虽然最近的一些书籍部分涉及了储氢材料上述方面的研究，但这并不是它们的重点，书中也没有详细介绍测试的准确性。因此，本书是一本关于储氢材料在这一重要方面研究的专著。整体考虑，本书介绍了不同类型的储氢材料以及该领域一些常见的表征技术。希望通过本书的介绍，能对该领域的初学者起到实际作用，并能成为经验丰富的储氢材料或氢化物研究人员的参考书。另外，尽管写作此书的主要动机来源于目前对合适的用作能量载体的储氢材料的 储氢材料：储存性能表征寻找，但也希望本书的内容能够吸引众多研究其他实际用途的氢气吸收或吸附材料的研究者以及对科学感兴趣的读者。我在荷兰欧洲委员会能源研究所三年博士后期间的工作，为撰写本书的绝大部分内容奠定了基础，尤其是第 6 章，该章涵盖了误差来源和影响测试准确性的问题。其余部分是在我受雇于英国 Hiden Isochema 公司时完成的。本书的相关观点和意见均为我个人的，因此，我对于书中包含的任何不准确性负全责。我希望本书能给那些对该领域感兴趣的人带来帮助，并欢迎大家对本书所讨论和覆盖的任何观点和问题的反馈和提问。Darren P.Broom华盛顿，2010 年 8 月致谢本书大部分内容的基本框架，特别是第 6 章是我在位于荷兰的欧盟能源研究所为期三年的博士后研究期间完成的。在此，我想对清洁能源组过去和现在的成员表示感谢，包括 Jean-Bernard Veyret 博士、Constantina Filiou 博士、PietroMoretto 博士和 Marc Steen 博士，感谢他们给予我的机会。本书的部分内容得到了欧盟 DG 研究项目的资助，合同号为 SES6-2006-518271/NESSHY，作者对此表示感谢。本书其他内容是我回到英国后在 Hiden Isochema 公司工作期间完成的。因此，我非常感激 Hiden Isochema 公司主管 Mike Benham 博士和公司的同事，他们包括 Mark Roper 博士、Pete Woodhead 博士、Michelle Mercer 博士、CharlieCook、John Bullis、Gerry Duffy 和 Kathryn Gallimore，从他们身上，我获益良多。我特别要感谢 Mark，他热心帮助我校对整部书稿，并提出了宝贵意见。此外，我还要感谢 Mark Thomas 教授、Allan Walton 博士、Jenny Vitillo 博士、Dan Bull博士、Eveline Weidner 博士、Jos Francisco Fernndez 博士、Steve Tedds、MattBeckner 以及其他人的帮助。我很幸运能在 Hiden Isochema 公司工作时获得他们的帮助。假如没有 Manchester 大学的 Joule 图书馆和 John Rylands 大学图书馆为校外读者提供的电子期刊服务，这本书是不可能完成的。因此，我想感谢这一宝贵服务对本书的重要作用。此外，我想对 Springer 出版社的 Anthony Doyle 和Claire Protherough 表示感谢，他们发起并指导了这本书的出版，耐心且专业的指导我完成了这本书的撰写工作。我尤其感谢 Salford 大学的 Keith Ross 教授将我引入了氢在材料中的行为这一研究领域以及我在 Salford 大学材料研究所他的研究组里学习时给予的指导和帮助。最后，我也要感谢我的父母在多年里给我的宝贵支持。目录译者序前言致谢第 1 章 引言1 1.1 向氢能转变1 1.2 技术壁垒3 1.3 储氢技术4 1.4 固态储存6 1.5 材料的储氢性能7 1.6 吸放氢测试8 1.7 术语10 1.8 总结11 参考文献12第 2 章 潜在的储氢材料14 2.1 微孔材料14 2.1.1 碳15 2.1.2 沸石类17 2.1.3 金属有机框架19 2.1.4 有机聚合物21 2.2 间隙式氢化物22 2.2.1 金属间化合物23 2.2.2 固溶体合金26 2.2.3 改性的二元氢化物27 2.2.4 非晶和纳米合金28 2.3 复杂氢化物30 2.3.1 铝氢化物30 2.3.2 氮化物、氨基化合物和亚氨基化合物31 2.3.3 硼氢化物32 2.3.4 过渡金属复杂氢化物33 2.4 其他类型的材料33 2.4.1 笼形包合物34 2.4.2 离子液体34 2.4.3 氢原子溢流机理的利用35目 录 2.4.4 有机和无机纳米管35 2.5 总结36 参考文献38第 3 章 材料的吸放氢性能48 3.1 实际储存性能48 3.1.1 可逆储氢容量48 3.1.2 长期循环稳定性57 3.1.3 气体杂质的抵抗力59 3.1.4 易于活化62 3.2 热力学性能63 3.2.1 吸附焓63 3.2.2 氢化物的生成和分解焓66 3.3 动力学性能68 3.3.1 氢吸附68 3.3.2 氢吸收69 3.4 等温模型73 3.4.1 超临界氢吸附73 3.4.2 氢吸收77 3.5 动力学模型78 3.5.1 表面渗透80 3.5.2 氢扩散82 3.5.3 相变82 3.6 总结83 参考文献83第 4 章 气态吸放氢测试技术91 4.1 体积测试技术91 4.1.1 测压法（Sieverts 法）92 4.1.2 其他体积法94 4.1.3 动力学测试96 4.2 重量测试技术96 4.2.1 重量法96 4.2.2 真空微天平99 4.2.3 高压系统100 4.2.4 其他重量法101 4.3 热脱附102 4.3.1 热重分析102 4.3.2 热脱附谱103 4.4 技术对比103 储氢材料：储存性能表征 4.5 总结105 参考文献105第 5 章 辅助表征技术10