储氢材料的吸氢性能与测量技术

在过去二十年左右的时间里，储氢领域的研究大大增加，主要是因为实际需要一种能够适用于氢燃料电池汽车和其他氢运输技术的储氢方法。但在环境条件下，氢仅以低密度气体的形式存在。许多研究发现，储氢是从化石燃料向以氢为主要能源的平稳过渡的主要障碍。 对有效储氢来说，在固态材料中储存氢是一种非常有前途的解决方案，因此，高效可逆储氢材料的开发是向氢能源过渡的一个标志性变化。本书从实际角度具体论述候选材料的储氢或吸氢性质的表征，讨论储氢材料的高压测量、对污染的敏感性和氢吸收和释放的测量。还包括各种类型储氢材料，以及一些常见的补充表征技术。

传统能源向氢能源转换是解决目前化石燃料所带来的诸多问题（包括石油本身的物理和化学性质以及能源安全和气候变化）的重要途径，而储氢是解决传统能源向氢能源过渡障碍的主要技术手段。过去20年里，储氢领域的研究大大增加，主要是因为实际应用中需要一种能够适用于氢燃料电池汽车和其他氢运输技术的储氢方法。每单位质量的氢可储存大量化学能，但在一般环境条件下，氢仅以低密度气体的形式存在。Honda（本田）FCX Clarity（第一款使用氢燃料电池的汽车）的推出促使汽车行业中氢燃料电池技术的商业化，但燃料电池的耐久性、成本、有效储氢等实际问题仍然存在。在固态材料中储氢是一种有前景的解决方案，高效可逆储氢材料的开发是向氢能源过渡的一个标志性变化。可逆储氢材料多为氢化物或微孔吸附剂。然而，由于氢的物理性质、储氢应用所需的高压测量条件和许多材料对气体污染的敏感性，对氢吸收和释放的实际测量，特别是对真实储氢应用时的测量，在技术上有很高的要求。
《储氢材料的吸氢性能与测量技术》主要讨论潜在储氢材料的种类和性质、常用气体吸附测量技术，以及一些常见的表征技术。本书可供储氢领域的研究者参考，也可供化工及其相关专业本科生、研究生学习使用。
本书第1、5章由王华芹编写，第2、3章由丁亚龙编写，第4章由于沛编写。牛静、李荣强对书稿图表的绘制、校对做了大量工作。本书在编写过程中，还得到了化学工业出版社及有关单位领导和教师的大力支持与帮助，在此谨向上述各位领导、专家表示衷心的感谢。
由于编者水平有限，书中不妥之处在所难免，敬请读者批评指正。

编者
2020年9月

氢能作为一种新型的能量密度高的绿色能源，正引起世界各国的重视。氢能技术面临氢的规模储存和运输等主要挑战，未来的研究重点将集中于具有高可逆性、高容量,且能在温和条件下可逆储氢的材料。
《储氢材料的吸氢性能与测量技术》主要讨论潜在储氢材料的种类和性质、常用气体吸附测量技术,以及一些常见的表征技术。全书论述了各种潜在的储氢材料、储氢材料实际储氢中的热力学和动力学以及重量法、体积法、热解法等测量技术，并对吸氢性质测量过程中的影响因素进行了分析。
《储氢材料的吸氢性能与测量技术》可供储氢领域的研究者参考，也可供化工及其相关专业本科生、研究生学习使用。

第1章绪论1
1.1传统能源向氢能源过渡的技术障碍1
1.1.1传统能源向氢能源过渡的历程1
1.1.2向氢能源过渡面临的技术障碍2
1.2气相氢的性质4
1.2.1压缩性4
1.2.2Joule-Thomson效应12
1.2.3热导率13
1.2.4连续、过渡和自由分子体系13
1.2.5热蒸腾作用14
1.2.6气体纯度14
1.3储氢技术15
1.4固态储氢材料17
1.5材料的储氢性能18
1.6氢吸附量的测定19
1.7展望21
参考文献21

第2章潜在储氢材料26
2.1微孔材料26
2.1.1碳材料28
2.1.2分子筛29
2.1.3金属有机框架化合物31
2.1.4有机聚合物33
2.2金属氢化物34
2.2.1金属化合物35
2.2.2固溶合金38
2.2.3改性二元氢化物38
2.2.4非晶态和纳米结构合金40
2.3复合氢化物42
2.3.1铝氢化物42
2.3.2含氮氢化物43
2.3.3硼氢化物44
2.3.4复合过渡金属氢化物45
2.4其他储氢材料45
2.4.1笼形包合物46
2.4.2离子液体46
2.4.3氢溢流材料47
2.4.4有机和无机纳米管47
参考文献50

第3章材料的吸氢性质63
3.1实际存储特性63
3.1.1可逆储存容量63
3.1.2长期循环稳定性71
3.1.3气体杂质抵抗力73
3.1.4材料活化能76
3.2热力学性质77
3.2.1吸附焓78
3.2.2生成焓或分解焓80
3.3动力学性质82
3.3.1氢吸附动力学82
3.3.2氢吸收动力学83
3.4等温模型87
3.4.1超临界氢吸附模型87
3.4.2氢吸收模型91
3.5动力学模型93
3.5.1表面渗透模型94
3.5.2氢扩散模型96
3.5.3相变97
参考文献97

第4章气体吸附测量技术107
4.1体积法测量技术107
4.1.1压力测量法108
4.1.2其他体积法110
4.1.3体积法测量动力学111
4.2重量法测量技术112
4.2.1重量法测量系统112
4.2.2应用于重量法的真空微量天平115
4.2.3重量法所需的高压系统116
4.2.4其他重量法117
4.3热解吸技术118
4.3.1热重分析118
4.3.2热解吸光谱118
4.4测量技术的比较119
参考文献121

第5章储氢材料的表征技术124
5.1热分析和量热法124
5.2低温气体吸附技术126
5.2.1表面积的测定126
5.2.2孔体积的测定127
5.2.3孔径分布的测定128
5.3粉末衍射133
5.3.1中子衍射134
5.3.2X射线衍射136
5.3.3小角度散射137
5.4光谱检测技术138
5.4.1非弹性中子衍射光谱139
5.4.2核磁共振光谱140
5.4.3红外光谱142
5.5其他表征技术143
参考文献144