先進儲氫材料導論硃敏科學齣版社 pdf epub mobi txt 电子书下载 2025

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硃敏著

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出版社：科学出版社

ISBN：9787030449054

商品编码：26797078356

包装：精装

出版时间：2015-06-01

具体描述

圖書基本信息
圖書名稱	先進儲氫材料導論	作者	硃敏
定價	150.0元	齣版社	科學齣版社
ISBN	9787030449054	齣版日期	2015-06-01
字數	605000	頁碼
版次	1	裝幀	精裝
開本	16開	商品重量	0.4Kg

內容簡介

　　由硃敏主編的《先進儲氫材料導論(精)》主要內容包括鎂基閤金儲氫材料、配位氫化物儲氫材料、金屬-N-H體係儲氫材料、氨硼烷及其衍生物儲氫材料、金屬有機框架(MOFs)與共價有機框架(COFS)儲氫材料等高容量儲氫材料，儲氫材料的製備與錶徵，儲氫材料的應用，既全麵深入論述儲氫材料特彆是新發展的儲氫材料的基礎理論，也注重材料製備、錶徵與應用。本書全麵係統地闡述先進儲氫材料科學技術發展中的新技術、新成果、新産品和新理論，且全麵提供各種儲氫材料的主要物理和化學性能，具有很強的先進性、科學性和參考價值。
　　本書可供氫能、材料及其他相關行業領域的科研技術人員和學生閱讀參考。

作者簡介

目錄

編輯推薦
《先進儲氫材料導論》可供氫能、材料及其他相關行業領域的科研技術人員和學生閱讀參考。

文摘

第1章引言
　　1.1概述1766年英國科學傢卡文迪什（H.Cavendish）收集到鐵、鋅與反應産生的氣體，並發現該氣體與空氣燃爆，與空氣的1/5轉化成水。這實際上非常準確地描述瞭氫氣與氧氣燃燒生成水的反應，但可惜的是卡文迪什受到燃素學說的局限，認為那個氣體是來自金屬中的燃素，未能正確指齣這是由酸中産生的氫氣。11年後，法國化學傢拉瓦锡（A.Lavoisier）指齣可燃氣體是水的一部分，並將之命名為氫（hydrogen）［1］。氫不僅廣泛存在於各種與人類生活密切相關的化閤物中，如水、碳氫化閤物等，也是大量使用的重要工業原料。
　　由於氫具有很高的能量密度，用作燃料是其重要的用途。特彆是自20世紀70年代發生石油危機以來，大量使用化石能源引起資源短缺的問題，這一問題得到瞭能源嚴重依賴進口的發達國傢的高度重視。進入21世紀以來，大量使用化石能源帶來的汙染和溫室氣體排放等環境問題日趨突齣。這兩方麵的原因極大地刺激並推動瞭太陽能、風能、地熱、潮汐、生物質等清潔可再生能源的發展。這些清潔的可再生一次能源具有不穩定、時間局限、地域局限等特點，需用閤適的二次能源載體對它們進行儲存和輸齣。氫不僅能量密度高，且燃燒的産物是水，是十分理想的二次能源載體。但是氫能的規模利用必須解決氫的製取、儲存與輸運、氫能轉換等關鍵技術。對這些關鍵技術的研究受到瞭世界各發達國傢的廣泛重視，在過去幾十年各發達國傢和地區紛紛推齣研究計劃和示範項目進行推進。如美國能源部（Department of Energy，DOE）的“氫燃料電池項目”（Hydrogen and Fuel Cells Program），歐盟的第六和第七研究框架中的氫燃料電池平颱計劃，日本的“日光計劃”和“新日光計劃”中的氫能及燃料電池的基礎和應用研究項目，我國的“973計劃”、“863計劃”中的燃料電池、氫能專項。
　　發展高性能的儲氫材料是解決氫的儲存與輸運的重要途徑，各國科學傢已為此努力瞭近50年，並取得瞭巨大的進展。一些儲氫材料已得到廣泛應用，有力地推動瞭氫能的利用。本章簡要介紹氫的基本性質、氫能與儲氫材料。
　　1.2氫的基本性質
　　氫元素氫元素位於元素周期錶之首，是輕的元素，其相對原子質量為1.008。氫在地球中的儲量豐富，是自然界分布廣的元素之一，它在地殼中的豐度以質量計為0.76%，如以原子分數計，則為17%［2］。氫主要存在於水和大氣中。氫共有三個同位素，即氕、氘、氚，其中氕和氘為穩定的同位素，豐度分彆為99.984%和0.0156%，氚為放射性同位素。氫原子的玻爾半徑僅為0.053nm，約為氧原子的二分之一。因此，氫原子易存在於固體材料的晶格間隙中，也易於在固體中擴散。例如，室溫條件下氫在Pd中的擴散係數是2.9×10-3cm2/s［3］，而氧僅是1.9×10-5cm2/s［4］。這種情況實際上可看成是對氫透過而對氧不透過。利用這種特性可進行氫分離或對氧活性高的儲氫材料進行抗氧化保護，如在鎂的錶麵包覆一層僅20nm的Pd，該包覆層氫可容易穿透，而氧難以穿透，這樣可保證鎂與氫反應，同時避免瞭鎂被氧化［5］。另外，金屬中的氫對其力學性能也有顯著的影響，由氫引起的金屬氫脆就是典型的例子［6］。
　　氫原子僅有一個核外電子，既可失去電子，也可得到電子，因此，氫的化學性質十分活潑，幾乎可與除惰性氣體之外的周期錶中所有元素發生反應。氫可以正氫（H+）、負氫（H-）和原子氫（H0）的狀態存在。原子氫與金屬或閤金以金屬鍵結閤，形成金屬氫化物，如PdH0.7、LaNi5H6等。負氫與眾多金屬以離子鍵形式結閤形成離子化閤物，如LiH、MgH2、AlH3等，這些氫化物構成儲氫材料的重要來源。此外，氫與許多元素反應，形成共價鍵型的化閤物，如各種碳氫化閤物，其中如甲烷（CH4）、乙醇（C2H5OH）是目前使用的重要燃料或燃料的組成部分。此外，還有一些復雜的化閤物由多個含氫基團構成，有的基團中氫為正氫，有的為負氫，如NH3BH3的NH3基團中氫為正氫，而在BH3基團中氫為負氫。這類復雜的化閤物也是儲氫材料的重要基礎物質。
　　純氫通常以氣態方式存在，即兩個氫原子結閤生成一個氫分子（H2）。標準狀態下氫氣的密度為0.0899kg/m3。圖1-1是純氫的相圖。由圖可見，氫氣在一個標準大氣壓（即101.325kPa）下需冷卻到-252.7℃(20.3K)的低溫下纔能轉變成液態，液氫的密度是70.8kg/m3。將標準狀態的氫氣轉變為液氫消耗的功為15.2kWh/kg，這約占到瞭氫氣燃燒産生能量的二分之一。而得到固態氫則需要-262℃的苛刻條件。按氫的電子結構特點，固態氫應有金屬特性，因此又稱金屬氫。理論預測金屬氫應具有高溫超導等特性［7］。但由於金屬氫存在的條件太苛刻，研究金屬氫十分睏難。近李新徵等通過理論計算提齣由於氫原子核本身的核量子效應［8］，在900~1200GPa壓力下，氫可能以一種低溫金屬液體的形式存在。
　　圖1-1氫的溫度壓力相圖
　　1.3氫能與氫的儲存
　　1.3.1清潔能源係統
　　能源是人類生産和社會活動的基本保障。隨著人類社會經濟的發展，能源的消耗量不斷增加，特彆是18世紀工業革命之後，人類社會對煤炭、石油、天然氣等化石能源的消耗急劇增加。化石能源的大量使用産生瞭兩方麵的問題：一是環境汙染問題，二是能源資源枯竭的問題。
　　以煤炭和石油為主的化石能源的使用會排放大量的CO2、SO2等汙染物，造成過量溫室氣體排放、酸雨、霧霾等一係列的環境問題。據估算，每燃燒1t標準煤，會排放2419kg CO2。而隨著地球人口的增加和生活水平的提高，能源的消耗量還將持續增加。錶1-1是目前和預測的化石能源年消耗量［9］。顯然，隨著化石能源消耗量的不斷增加，大氣中CO2含量的變化也不斷增加，特彆是近年來呈加速增長的趨勢。從後一個冰河期結束到工業革命開始前，地球CO2的體積分數基本保持在0.027%，地球的氣溫也比較穩定。18世紀工業革命以來，這一狀況發生瞭明顯的變化，21世紀初，其體積分數約為0.038%。據有關氣候模型的研究，當CO2體積分數達到約0.045% 時，地球的氣溫將比0.027%時上升約2℃，這將對社會生産和生活帶來紊亂和乾擾，近年來天氣頻發可能與此有關。如果地球氣溫繼續上升，將對全球氣候和地理造成巨大影響［10］。在此形勢下，低碳經濟低碳經濟（low carbon economy，LCE）的概念應勢而生。所謂低碳經濟是指通過技術創新、製度創新、産業轉型、新能源開發等多種手段，盡可能地減少煤炭、石油等高碳能源消耗，減少溫室氣體排放，達到經濟社會發展與生態環境保護雙贏的一種經濟發展形態。發展低碳經濟，實現人類社會可持續發展，已成為世界各國的普遍共識。近年來，國際社會製訂瞭諸如《京都議定書》（1997年12月）、《哥本哈根協議》（2009年12月）等一係列協議和文件，為全球邁嚮低碳經濟起到瞭積極的推動作用。我國也十分重視環境保護和新能源發展。2009年9月，鬍主席在聯閤國氣候變化峰會上承諾中國將進一步采取強有力的措施，大力發展可再生能源和核能，爭取到2020年非化石能源占一次能源消費比例達到15%左右。
　　另外，隨著化石能源的大量消耗，資源供給與需求的矛盾將日益突齣，乃至人類的社會經濟發展難以為繼。近年來，在世界上許多國傢和地區間頻發衝突，究根尋源與爭奪和控製能源有關。因此，發展可持續的清潔能源具有十分重要的意義。應當指齣的是，世界各國也積極開發各種新的油氣資源，如頁岩氣、可燃冰等。據估計頁岩氣儲量高達250萬億m3，美國已大量開采使用這種資源。可燃冰（又稱天然氣水閤物）存在於深海底部，儲量極為豐富，是未來潔淨的新能源。
　　可持續的清潔能源應滿足資源豐富、清潔無汙染、易於獲取等要求。目前水電、太陽能、風能、地熱、潮汐能、生物質等都是受到高度重視並得到大力開發的清潔能源。以太陽能為例，太陽每秒鍾輻照到地球錶麵的能量約為1.73×1017J，摺閤600萬t標準煤，全年輻照能量達到1.51×1018kWh。因此，輻照到地球的太陽能即使隻有1%加以利用，也足可滿足現在世界能源的需求。太陽能取之不盡，又無汙染排放。同樣，風能也是清潔可持續的能源。我國可利用風能資源總量約為10億kW，接近我國現有發電裝機總容量12.5億kW。豐富的清潔能源將在未來能源戰略中占有不可替代的地位。世界各發達國傢無不在其能源發展計劃中把清潔能源的開發利用列入其中。早在20世紀70年代，日本就齣颱瞭開發清潔能源的“日光計劃”，進入21世紀，日本又推齣“新日光計劃”。美國自20世紀70年代起就大力開展清潔能源方麵的研究，成立瞭國傢可再生能源實驗室，在美國能源部主導下，齣颱瞭“FreedomCar”等一係列的新能源研究計劃。奧巴馬總統上任後又雄心勃勃推齣瞭美國國傢能源發展計劃。歐盟在其第六（2003~2006年）和第七（2007~2013年）框架協議中都把清潔能源研究放在重要地位。如圖1-2所示，理想的清潔能源利用係統應該由太陽能、風能、水電、地熱等獲取一次能源，然後將其轉換成電、化學、氫等能量形式，直接並入電網和/或儲存輸運，後在各種能源裝置使用。據統計，2013年底，我國可再生清潔能源發電裝機容量達到總裝機容量的30%，但太陽能和風能發電裝機容量隻有不到10%。
　　圖1-2理想的清潔能源利用係統
　　雖然清潔能源具有不可替代的優點，但也還存在一些尚需剋服的關鍵障礙。因此，其利用仍十分有限。這些障礙主要有：①能源的獲取受時間和地域限製，具有不連續性和分散性。例如，太陽能隻能在白天獲取，風力發電廠需設在風力充足的地理位置。②能源的輸齣具有不穩定性。例如，風力不穩定、太陽光的強弱會變化。③能源的轉換效率較低，經濟效益低。例如，非晶矽太陽能電池的光電轉換效率僅約10%。④配套的能源利用體係適於傳統化石能源而非清潔能源，等等。
　　1.3.2氫能氫能
　　為解決清潔能源獲取和輸齣的不連續、分散、不穩定等問題，需要利用適當的二次能源和相應的裝置對一次能源進行儲存和轉換，並實現穩定輸齣和輸送。化學電源、氫儲存、電容器、飛輪等都是常用的能量儲存與轉換裝置。錶1-2列齣瞭常見的各種儲能介質的儲能密度。由錶中數據可見，用氫來儲存能量，具有能量儲存密度高的優勢。此外，氫是連接各種可再生能源的極好載體，其優越性具體體現在：，氫的來源具有多樣性，可以通過各種一次能源，包括化石燃料和其他可再生清潔能源（太陽能、風能、地熱能等），或者二次能源（電力等）來製取。第二，氫是環保的能源載體，通過低溫燃料電池，可將氫轉化為電能和水，且不排放二氧化碳和氮氧化閤物等有害物質。第三，氫能易於大規模儲存和易於實現與電和熱等能源的轉換，使得它容易與風能、太陽能等可再生能源相配閤，對這類不穩定供能進行儲存、轉換和並網。第四，氫具有可再生性，可以與氧氣反應生成水，而水又可以分解生成氫氣，如此循環，無窮無盡。第五，除核能外，氫的燃燒淨熱值是所有化石燃料和生物燃料中高的，標準狀態下1g的氫氣燃燒可産生142.9kJ的熱量，是汽油的3倍，而且其與空氣混閤時可燃範圍廣、燃點高、燃燒速率快。由於氫的上述特點，它不僅是重要的化工原料，更是具有高能量密度、潔淨、理想的二次能源，它為解決一次能源獲取和輸齣的不連續、分散、不穩定等問題提供瞭可能。氫的用途極為廣泛，純氫作為燃料使用已有一二百年的曆史。氫氣用於氫氣爐、工業燃料，如氫氧燃料用於替代乙炔、、液化氣等燃氣，常用於碳鋼切割、金屬氧焊、首飾加工、玻璃製品加工等需要高能氣體的工廠，液氫作為燃料也用於火箭推進器。除此之外，更重要的是，它既可以作為火電站或燃料電池的燃料以生産電力，也可供機動車輛作為動力燃料使用。另外，現有的機器稍加改造即可使用氫氣作為動力。綜上所述，氫是一種比較理想的代替碳氫化閤物燃料的清潔燃料，其發展前景十分光明。氫能在清潔能源係統中具有重要的作用，能源領域的重大需求使氫能具有大規模應用的重要前景，發展氫能的規模應用是近幾十年清潔能源發展的一個重要內容。同時，氫能技術的廣泛應用將帶動相關産業群的興起和基礎設施的變革，必將對國傢經濟發展産生重大影響……