化学新能源论文

2023-03-21 14:24:12 文档大全网 [ 字体：小中大 ] [ 阅读： ]

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化学新能源

摘要：当今世界能源问题是人类所面临的三大问题之一，我国目前正面临着巨大的资源与环境挑战，人均资源匮乏，环境堪忧。随着化石燃料的迅速消耗和环保问题的日益严重, 新能源研究成为全球性的热点研究问题。新能源有别于传统化石能源，具有清洁无污染、安全高效率等优点。而化学新能源是将化学能直接转化成电能，如锂离子电池、燃料电池、电化学电容器等，具有广阔的应用发展前景。本文就化学在燃料电池和储氢材料中的研究和应用进行了述评与总结。关键词：新能源；燃料电池；储氢材料 Summary：In today's world energy problem is one of the three major human problems, China is facing a great challenge of resources and environment, shortage of per capita resources, environment. With the rapid depletion of fossil fuel and the environmental problem is becoming increasingly serious,? The new energy research has become a hot research problems in the world. New energy is different from the traditional fossil energy, with clean, safe and high efficiency. While the new energy is the chemical energy directly into electrical energy, such as lithium ion battery, fuel cell, electrochemical capacitors, has broad prospects for development. In this paper, the research and application of chemistry in fuel cells and hydrogen storage materials are reviewed and summarized.

Keywords：new energy resources；fuel cell；hydrogen storage material.

随着我国经济的发展和综合国力的日益增强，我国对能源的需求也日趋增大，因此，发展可再生的新能源是十分迫切而有必要的。能源消耗给我们带来经济发展的同时，也带来了更多的污染和严峻的健康问题。在每年GDP增长的假象下掩藏着的是环境的破坏和一系列难以挽回的污染问题。除此之外，随着经济全球化进程的加快，能源供应国际化所面临的地域政治控制威胁也在加剧。尤其近几年，在国民经济快速增长的拉动下，我国能源需求增长较快，一些地区发生了不同程度的能源紧张局面。再加上我国正处于工业化建设的中期阶段，是世界第二位能源消费大国，能源供应的保障是经济与社会发展的基础条件，因此，我国现有的能源已经不够用了，所以在节约能源的同时，发展新能源是很有必要的。 1.燃料电池燃料电池（FC）是将储存于燃料(H2、甲醇等)中的化学能转化为电能的一种装置,为William Grove 在19世纪首先提出的, 是人类所知最早的电能转化技术之一;由于经济、材料等原因, 燃料电池的发展落后于蒸汽机和内燃机。20世纪60年代的太空技术, 特别是美国阿波罗计划, 开启了燃料电池的新时代。近年来, 全球环境保护意识的增强, 极大地促进了燃料电池的发展。根据使用的电解质, 燃料电池有碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、质子交换膜燃料电池( PEMFC)、直接甲醇燃料电池（DMFC）等。 1.1燃料电池和传统电池的比较

燃料电池所共有的特点是：第一，提供能量过程都发生在电极电解质界面上；第二，电子、离子的运输都是分开的；第三，都是由和电解质接触的两个电极构成；第四，对电极和电解质中关于离子和电子传导的要求是相同或相近的。当然，燃料电池与传统的电化学电池相比，也有其不同的地方。第一，能量存储和转换位置不同：传统电池是封闭体系，传统电池的正负极是电荷转移的介质，正负极本身就是电活性物质，而燃料电池是敞开体系，燃料设在电池外面，能量转换在

电池内部。第二，能量和功率密度不同：燃料电池功率密度小，能量密度高，而传统电化学电池功率密度和能量密度都比较适中。 1.2燃料电池的特点、进展及应用

质子交换膜燃料电池( PEMFC)和直接甲醇燃料电池（DMFC）属于低温燃料电池，都用到稀少而昂贵的Pt-Rh、Pt作为催化剂，氢气作为还原剂，要求要有很高的纯度，催化剂很容易CO中毒，而且它们都用Nafion膜作为隔膜材料。

熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)属于高温燃料电池，不需要Pt-Rh、Pt作为催化剂，而且CO可以作为燃料使用，所用的电解质是腐蚀性很强的碳酸盐，其对阴极、阳极和隔膜的腐蚀是很严重的。

固体氧化物燃料电池(SOFC)也属于高温燃料电池，但它是全固态的，是利用快离子导体作为“电解质”。因此，各部位的密封性是非常关键的问题。目前，质子交换膜燃料电池(PEMFC)功率在一百到几百千瓦，功率密度约为1A/cm2 ,美国及其他欧洲发达国家将其用于电动汽车上。直接甲醇燃料电池（DMFC）功率在几十到几百瓦之间，常用于手机、笔记本电脑的电池。熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)功率比较大，可达100千瓦以上，目前美国、欧盟及日本等国家正研究将其用于部分替代火力发电。 2.储氢材料

氢能作为一种储量丰富、来源广泛、能量密度高的绿色能源及能源载体,正引起人们越来越广泛的关注,受到世界各国的高度重视。氢能应用的关键是氢的储运,而储氢材料则是研究的焦点。美国能源部(DOE)关于储氢材料的应用标准为氢气储存的质量能量密度和体积能量密度应分别达到617wt%和62kgPm。根据氢与材料作用方式,储氢材料可分为两类。一类是氢以化学吸附储存于材料之中,这类材料储氢量大,但脱氢较困难;另一类属物理吸附,虽储氢能力有限,但氢易于脱附。理想的储氢材料应是氢以分子状态吸附但吸附能应介于物理吸附与化学吸附之间。近年来,关于储氢材料的研究层出不穷,理论研究主要集中在金属氢化物、合金、金属有机骨架及一些新型储氢材料等。 2.1储氢的机理

H2在金属或合金的粉末表面吸附，H-H键断裂，H原子侵入到金属原子之间的间隙，形成固溶体，H由外向内进一步扩散，形成饱和固溶体，与剩余H2形成金属氢化物。

2.2化学储氢材料

金属氢化物储氢材料，典型的例子是MgH2,其理论储氢容量高达717wt%,且镁的价格低廉,储量丰富。直接应用MgH2的主要障碍是脱氢温度高、速度慢。稀土金属合金是较有前途的合金储氢材料,具有单位体积内高的氢储存容量以及在温和条件下吸附氢的能力。这些合金材料中氢的吸附和脱附性质依赖于合金组成和金属与氢的相互作用。一般来说,这些合金材料结构较为复杂,容纳氢的能力取决于多种因素,如合金中空隙的大小和形状、空隙周围原子的化学性质、氢和配位原子的距离等。

Li2N2H化合物是一种新颖且有前途的具有高质量密度的储氢材料,LiNH2的分解需要较高的温度。实验表明用Mg部分替代Li可降低分解温度。Zhang等用PBE泛函比较研究了LiNH2和部分Li被K或Mg取代后的体系。结果分析揭示,Li被取代后,改变了金属与氮成键强度,使得N-H键减弱。Mg的影响较K更为显著,从微观层次上阐明了实验事实。