氢是一种洁净、无污染、发热值高的二次能源，作为可替代能源(原子能、太阳能、地热、风能)的转化产物，很有前途。氢气燃烧可以释放大量的热能，单位质量氢的热能是汽油的3 倍，而其燃烧后的产物是水，不污染环境，不破坏生态平衡，因而氢是清洁、高品质、理想的新能源。氢能的利用涉及氢的储存、输运和使用。自20 世纪60 年代中期发现LaNi5和FeTi 等金属间化合物的可逆储氢作用以来，储氢合金及其应用研究得到迅速发展。储氢合金是一种能在晶体的空隙中大量储存氢原子的合金材料，能以金属氢化物的形式吸收氢，加热后又能释放氢，是一种安全、经济而有效的储氢方法。金属氢化物不仅具有储氢特性，而且具有将化学能与热能或机械能相互转化的机能，从而能利用反应过程中的焓变开发热能的化学储存与输送，有效利用各种废热形式的低质热源，因此，储氢合金的众多应用已受到人们的特别关注。
作为储氢材料，其性能要求包括氢气储存量大、吸收与释放速度高，并且离解温度(即氢与材料的化学结合破坏，从而还原成氢气并释放出来的温度)较低。
1. 储氢材料理论
一般地，金属氢化物按其氢键性质可以分为三类：共价键、离子键和金属键，但这并不是总可以把氢化物准确地区分开来，例如，LiH 按分类属于离子键型，但实际上显示某些共价键特性；稀土类氢化物属于金属键型，而有时却显示出类似于离子键型的特征，如高的形成热和高含氢量时的高电阻率。
① 共价型氢化物：元素和氢原子之间电荷的极性分配相当平均，没有大的电荷差别，分子结合力不强。这类氢化物越不稳定，随母相元素增加稳定性增加，并且大多数有毒，易燃放热。属于这类的氢化物有：铝氢化物、锡氢化物、硼氢化物、锗氢化物。
② 离子型氢化物：这类氢化物是由具有很强正电性的碱金属或碱土金属和氢形成的。由于离子间具有很强的静电力作用，所以，离子型氢化物是高极性的，这些氢化物是晶体，具有高的形成热和高的熔点，熔融盐状态是电的导体。离子键氢化物比碱金属和碱土金属的密度分别高45%～75%和20%～25%。由于很强的离子间吸引，使体心立方结构的金属成为密排的面心立方结构的氢化物。
③ 金属型氢化物：过渡族金属与氢化合形成金属型氢化物。它们通常显示一定的金属性。例如，高的热导率和低的电阻率、高硬度、有光泽。与金属不同，这些氢化物相当脆，如金属铀与氢反应，迅速形成相当细的粉末状物质。因为大多数金属型氢化物有一均匀的成分范围，所以有时被认为是氢在金属中的固溶体。
现在还不能完全了解金属型氢化物的化学键的性质。可以作为储氢材料的氢化物主要有两种类型：盐型(离子型)氢化物，如LiH，NaH 和CaH2等；另一类是金属型氢化物。中子衍射实验已经证实，氢分子在金属表面分解为氢原子，通过表面或疏松的氢化物膜进入金属内部，相变形成氢化物后的氢原子是填充在金属晶格的四面体或八面体间隙位置上的。其间隙越多，可能收容的氢原子也就越多。增大氢气的压力，氢原子接连不断地挤入间隙里使含氢量达到饱和，合金全体成为氢化物。由于氢原子是挤入的，所以排列也是密集的，不仅是纯金属可以得到氢化物，金属间化合物也可以形成氢化物。按照储氢机理的不同，相应的可以将储氢方法分为物理法和化学法两种。金属和氢作用的过程可以分为二步：第一步是吸附，第二步是固渗或者化学反应。吸附分为物理吸附和化学吸附，前者是可逆的，具有低的吸附热，一般吸附量比较小；后者一般不可逆，即使有可逆过程发生，也需要长的滞后时间，吸附热较高，一般吸附量比较大。物理法储氢主要利用物理吸附和液化氢气。化学法储氢第一步可能是物理吸附也可能是化学吸附，第二步则是储氢材料和氢气生成氢化物，然后氢化物在一定条件下放出氢气以达到储氢目的。氢溶于金属可以分为两类：一类是氢溶入时放热，另一类是氢溶入时吸热。放热反应的往往是氢和金属直接结合形成氢化物相。这包括碱或碱土金属、钛和钒类金属、稀土(含Se 和Y)和锕系金属以及钯(Pd)。而大部分其他金属(如Fe、Co、Ni、Cu、Ag 和 Pt)当氢溶入时却是吸热的。储氢合金与氢气发生如下的化学反应：
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式中，M——储氢金属合金；
ΔH ——反应热；
P1、T1——发生吸氢反应时体系所需的温度和压力；
P2，T2——发生释氢反应时体系所需的温度和压力。
正逆向反应构成了一个吸氢-释氢的循环，改变体系的温度和压力条件，可以使得正、逆反应交替进行，这样储氢合金材料就能实现储氢-释氢功能。储氢合金的储氢-释氢性能由合金和氢气的相平衡关系决定。按照Gibbs 相率，影响这个热力学相平衡关系的因素是体系的温度、压力和组成。因此，相平衡关系由P-C-T(pressure-composition-temperatureequilibrium)图或压力-成分等温图来表示。图10.6 是储氢材料的储氢—释氢过程的P-C-T曲线图。由图上可以看到，对于吸储过程和释放过程，即使在储氢材料中的氢浓度相同时，氢的平衡分压也不一样。释放过程的平衡氢压小于吸储过程的平衡氢压成为平衡压滞后，作为储氢材料，滞后效应越小越好。
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2. 储氢材料的分类
并不是所有与氢作用能生成金属氢化物的金属(或合金)都可以作为储氢材料，由于储氢材料用于能源领域，因此储氢材料应该具备下述条件：
① 氢的吸储量大，即单位质量或单位体积储氢量大，一般可逆吸氢量不少于150mL/g。
② 金属氢化物的生成热要适当，用于储氢时，氢化物的生成热小，如果生成热太高，生成的金属氢化物过于稳定，释时就需要较高温度；反之，用于蓄热时，则希望生成热高。
③ 平衡氢分解压适当。在室温附近，具有适当的分解压(0.1MPa～1MPa)。若分解压过高，则吸氢时充氢压力较高，需要使用耐高压容器；若分解压＜0. 1MPa，则必须加热才能释放氢，需要消耗能源。同时，其P-C-T 曲线应有较平坦和较宽的平衡压平台区，在这个区域内稍微改变压力，就能吸收或释放较多的氢气。
④ 吸氢、释氢速度快。
⑤ 容易活化。储氢合金第一次与氢反应称为活化处理，活化的难易直接影响储氢合金的实用价值，它与活化处理的温度、氢气压及储氢合金纯度等因素有关。
⑥ 传热性能好。
⑦ 在储存与运输中性能可靠、安全、无害。
⑧ 化学稳定性好，经反复吸、放氢，材料性能不衰减，对氢气中所含的杂质(如O2、CO、Cl2、H2S、H2O等)敏感性小，抗中毒能力强，即使有衰减现象，经再生处理后，也能恢复到原来的水平，因而使用寿命长。
⑨ 原料来源广、成本低廉。能够基本上满足上述要求的主要合金成分有Mg、Ti、Nb、V、Zr和稀土类金属，添加成分有Cr、Fe、Mn、Co、Ni、Cu 等。金属储氢材料有 AB5、AB2、AB、A2B 和BCC 几种类型，各类合金以质量比表示的储氢量分别是：AB5型——1.3%、AB2型——1.8%、AB 型——2.0%、A2B 型——3.6%和BCC 型——3.8%。AB5型的合金主要是LaNi5 和MM-Ni(MnAlCo)，这里MM 为混合稀土。它们的晶体结构为CaCu5型，开发于20 世纪70 年代。目前其实用化程度较高，主要用于电池负极材料。其特点是易活化，不易吸附杂质致使吸氢能力降低而“中毒”；AB2 型，具有Laves 相结构，不过其成分并不固定，可在很大范围变化。代表性合金有：TiMn1.5、ZrMn2等多种合金。其特点在于更高的氢气储存能力；AB型合金主要是FeTi合金，结构是CsCl型。优点是储氢量大，缺点是初期活化困难，通过添加合金元素锰、铌、氧、锆等可明显改善。此外，它还包括CoTi、Niδ(Ti、Zr)( δ=0.5～1)合金；A2B型合金主要指Mg2Ni 合金，故又称镁系合金。其突出特点是单位质量储氢合金存储的氢气量高，原因是镁合金自身密度低。其重要的发展方向是车用动力型电池；BCC 型合金是指晶体结构属于bcc 空间点阵的合金，主要是V-Ti、V-Ti-Cr、V-Ti-Mn、V-Ti-Ni 等合金。这些合金的特点及应用方向与镁系储氢合金很相似。
目前研究和已投入使用的储氢合金主要有稀土系、钛系、镁系几类，达到产业化水平的主要是以LaNi5型为主的AB5型合金，容量一般为300～330mAh/g，其他几类合金的活化问题、寿命问题、成本问题都没有完全解决，尚处于实验室研究阶段。LaNi5 储氢合金1969 年由荷兰Philips 实验室研制开发。LaNi5具有CaCu5型的六方结构，其点阵常数a＝0.5017nm，c＝0.3987nm。形成氢化物后仍保持六方晶体结构，但晶格体积膨胀约23.5%。具有优良的储氢性能，储氢量大约1.4%(质量分数)，适合于室温下应用，国内外学者对AB5储氢合金做了大量的研究。由于LaNi5 合金的成本高，人们发展了稀土系列的多元合金。为降低成本，用富铈(Ce>40%)混合稀土代替价格昂贵的La，研制了廉价的MnNi5储氢合金。MnNi5储氢合金可以在室温，6.07MPa 下吸氢，在1.31MPa 下分解释放出氢气。但是它的活性条件苛刻，不方便应用。为此，在MnNi5储氢合金的基础上，通过改变Mn 的成分或者通过其余的合金元素B 而形成MnNi5-yBy又开发了多种多元合金。有研究者系统研究了Ａ测稀土元素中含Ce 量对AB5型储氢合金La0.8(1-x)Cex(PrNd)0.2B5的结构、热力学性能、电化学性能和动力学性能的影响。结果表明：含Ce 量对合金的结构基本上没有明显的影响，合金的晶胞参数a、c 及晶胞体积与Ce 的含量的变化呈线性关系；随着含Ce 量增加，合金的吸放氢平台压力升高，滞后效应减小，吸氢量减小，合金氢化物的热力学稳定性变差；含Ce 量的变化对合金的电化学活化速度影响很小，但含Ce 量的增加可以明显提高合金的放电中值电位，改善合金的高倍率、高功率放电性能和动力学性能。
3. 储氢材料的应用
储氢合金金属氢化物是一种新型功能材料，也是一种高密度储能材料，广泛用于氢的储存、运输，氢气的分离和冷化。普遍用于合成化学的催化加氢与脱氢、镍氢电池、氢能燃料汽车、用于海水的淡化的金属氢化物压缩机、金属氢化物热泵、空调与制冷，氢化物热压传感器和传动装置等。储氢材料既可以作为固体储氢介质，又可以作为镍氢电池的负极活性材料，是燃料电池与镍氢电池的关键技术之一，是新能源材料中的一类重要材料。
1) 用于氮气的储存和运输
氢储存是储氢金属氢化物的最基本的应用。金属氢化物储氢密度高，其原子密度比相同温度、压力条件下的气态氢大1000 倍。如采用TiMn1.5制成的储氢容器与高压(15MPa)钢瓶和深冷液化储包装置相比，在储氢摩尔量相等的情况下，三者的质量比为1:1.4:0.2，体积比为1:4:1.3，质量小，体积小，而且储氢合金储氢无需高压和液氢的低温设施，节省能源。氢以金属氢化物形式存在于储氢合金中，安全可靠，便于氢的运输和传递。金属氢化物储氢装置是一种金属—氢系统反应器，由于存在氢化反应的热效应，储氢装置一般为热交换器结构。有固定式和移动式两种类型。移动式储氢装置主要用于大规模储存和输送氢气以及车辆氢燃料箱等供氢场合。
2) 用于合成化学中催化加氢与脱氢
在合成化学中，储氢合金材料可用于加氢与脱氢反应的催化剂，反应条件温和，具有较高的催化活性。例如，ReilIy 和E. Schwab 等先后试验了TiFe及TiRu 合金在合成氨反应中的催化作用。实验表明TiFe 合金具有良好的催化活性，特别是在TiFe 合金中加入少量Ru 可使TiFe 的活性提高5倍，活化能从62J/mol 降至38J/mol。
3) 用于储氢合金电极材料
20 世纪70 年代，Justi 等发现LaNi5和TiNi 系储氢合金不仅具有阴极储氢能力，而且对氢的阳极氧化也有催化作用。当时由于材料本身性能方面的原因，未能使储氢合金作为电池负极的新材料而走向实用化。近年来，由于对多元储氢合金电极材料的进一步研究开发，使LaNi5 基多元储氢合金在循环使用寿命方面获得突破，从而使金属氢化物电极替代镍-镉电池的镉负极组，并且镍-氢化物电池进入了大规模产业化。镍-氢化物电池与传统的镍-镉电池相比，具有高能量密度，为镍-镉电池的1.5～2.0 倍，耐过充，放电能力强，无重金属镉对人体的危害，被誉为“绿色电池”。此外，镍金属氢化物电池能量密度是铅酸电池的2 倍，抗振、低温性能好，已成为电动汽车用大型电池的首选电源之一，在未来主战坦克蓄电池发展过程中也具有广阔的应用前景。镍金属氢化物电池在欧、美、日都已投入生产，年产量上亿只，中国批量生产的镍金属氢化物电池的性能也已达到国际公认的水平。镍金属氢化物电池已经成为储氢合金目前最具有经济价值的应用方向。
4) 热泵、空调及热储存
把热从低温物体输送到高温物体的装置称为热泵。热泵启动时，高温物体会逐渐升温，低温物体的温度会逐渐降低，因此，热泵既有供热的作用，又有制冷的功能。储氢合金吸—放氢时伴随着巨大的热效应，发生热能—化学能的相互转换，其可逆性好，反应速度快，是一种特别有效的蓄热和热泵介质。储氢合金储热能是一种化学储能方式，热能经长期储存后没有损失。从热力学角度分析，热泵的热效率比使用化石燃料高。氢化物热装置可利用废热和太阳能等低品位的热源驱动工作，它属于气固相作用，无腐蚀、无运动部件(因而无磨损、无噪声)；系统工作温度范围大，工作温度可调，不存在氟里昂对大气臭氧层的破坏作用，可达到制冷—采暖双效的目的。储氢合金氢化物热泵属于化学反应型热泵，其核心是金属与氢之间的可逆反应，利用这种可逆反应的反应热，进行热能的转换、储存和交换。同温度下分解压不同的两种氢化物组成热力学循环系统，使两种氢化物分别处于吸氢(放热)和放氢(吸热)状态，利用它们的平衡压差来驱动氢气流动，从而利用低品位热源来进行储热、采暖、空调和制冷。
5) 氢能汽车
氢能汽车是一种完全以氢气为燃料代替汽油的新型汽车。它不存在环境污染问题，具有良好的发展前景。目前开发的氢能汽车主要有三种类型：直接燃烧氢的储氢罐型、利用镍氢电池的电动型以及以燃料电池为动力的燃料电池型。目前使用稀土系和钛系以及钛铁锰储氢合金，1m3氢气可行驶5km～6km。德国奔驰公司已成功试制用钛铁储氢合金代替汽油箱的氢能汽车，并反复进行了公路实地试车。美国Ovenic 电池公司也将镍金属氢化物电池用于电动汽车，充电一次，可行驶350km，平均时速为90km，最高速度可达160km

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