儲氫材料的吸氫性能與測量技術（簡體書）

氫能作為一種新型的能量密度高的綠色能源，正引起世界各國的重視。氫能技術面臨氫的規模儲存和運輸等主要挑戰，未來的研究重點將集中於具有高可逆性、高容量,且能在溫和條件下可逆儲氫的材料。

《儲氫材料的吸氫性能與測量技術》主要討論潛在儲氫材料的種類和性質、常用氣體吸附測量技術,以及一些常見的表征技術。全書論述了各種潛在的儲氫材料、儲氫材料實際儲氫中的熱力學和動力學以及重量法、體積法、熱解法等測量技術，並對吸氫性質測量過程中的影響因素進行了分析。

《儲氫材料的吸氫性能與測量技術》可供儲氫領域的研究者參考，也可供化工及其相關專業本科生、研究生學習使用。

在過去二十年左右的時間裡，儲氫領域的研究大大增加，主要是因為實際需要一種能夠適用於氫燃料電池汽車和其他氫運輸技術的儲氫方法。但在環境條件下，氫僅以低密度氣體的形式存在。許多研究發現，儲氫是從化石燃料向以氫為主要能源的平穩過渡的主要障礙。

對有效儲氫來說，在固態材料中儲存氫是一種非常有前途的解決方案，因此，高效可逆儲氫材料的開發是向氫能源過渡的一個標志性變化。本書從實際角度具體論述候選材料的儲氫或吸氫性質的表征，討論儲氫材料的高壓測量、對污染的敏感性和氫吸收和釋放的測量。還包括各種類型儲氫材料，以及一些常見的補充表征技術。

傳統能源向氫能源轉換是解決目前化石燃料所帶來的諸多問題（包括石油本身的物理和化學性質以及能源安全和氣候變化）的重要途徑，而儲氫是解決傳統能源向氫能源過渡障礙的主要技術手段。過去20年裡，儲氫領域的研究大大增加，主要是因為實際應用中需要一種能夠適用於氫燃料電池汽車和其他氫運輸技術的儲氫方法。每單位質量的氫可儲存大量化學能，但在一般環境條件下，氫僅以低密度氣體的形式存在。Honda（本田）FCX Clarity（款使用氫燃料電池的汽車）的推出促使汽車行業中氫燃料電池技術的商業化，但燃料電池的耐久性、成本、有效儲氫等實際問題仍然存在。在固態材料中儲氫是一種有前景的解決方案，高效可逆儲氫材料的開發是向氫能源過渡的一個標志性變化。可逆儲氫材料多為氫化物或微孔吸附劑。然而，由於氫的物理性質、儲氫應用所需的高壓測量條件和許多材料對氣體污染的敏感性，對氫吸收和釋放的實際測量，特別是對真實儲氫應用時的測量，在技術上有很高的要求。

《儲氫材料的吸氫性能與測量技術》主要討論潛在儲氫材料的種類和性質、常用氣體吸附測量技術，以及一些常見的表征技術。本書可供儲氫領域的研究者參考，也可供化工及其相關專業本科生、研究生學習使用。

本書第1、5章由王華芹編寫，第2、3章由丁亞龍編寫，第4章由於沛編寫。牛靜、李榮強對書稿圖表的繪製、校對做了大量工作。本書在編寫過程中，還得到了化學工業出版社及有關單位領導和教師的大力支持與幫助，在此謹向上述各位領導、專家表示衷心的感謝。

由於編者水平有限，書中不妥之處在所難免，敬請讀者批評指正。



編者

2020年9月

第1章緒論1

1.1傳統能源向氫能源過渡的技術障礙1

1.1.1傳統能源向氫能源過渡的歷程1

1.1.2向氫能源過渡面臨的技術障礙2

1.2氣相氫的性質4

1.2.1壓縮性4

1.2.2Joule-Thomson效應12

1.2.3熱導率13

1.2.4連續、過渡和自由分子體系13

1.2.5熱蒸騰作用14

1.2.6氣體純度14

1.3儲氫技術15

1.4固態儲氫材料17

1.5材料的儲氫性能18

1.6氫吸附量的測定19

1.7展望21

參考文獻21



第2章潛在儲氫材料26

2.1微孔材料26

2.1.1碳材料28

2.1.2分子篩29

2.1.3金屬有機框架化合物31

2.1.4有機聚合物33

2.2金屬氫化物34

2.2.1金屬化合物35

2.2.2固溶合金38

2.2.3改性二元氫化物38

2.2.4非晶態和納米結構合金40

2.3復合氫化物42

2.3.1鋁氫化物42

2.3.2含氮氫化物43

2.3.3硼氫化物44

2.3.4復合過渡金屬氫化物45

2.4其他儲氫材料45

2.4.1籠形包合物46

2.4.2離子液體46

2.4.3氫溢流材料47

2.4.4有機和無機納米管47

參考文獻50



第3章材料的吸氫性質63

3.1實際存儲特性63

3.1.1可逆儲存容量63

3.1.2長期循環穩定性71

3.1.3氣體雜質抵抗力73

3.1.4材料活化能76

3.2熱力學性質77

3.2.1吸附焓78

3.2.2生成焓或分解焓80

3.3動力學性質82

3.3.1氫吸附動力學82

3.3.2氫吸收動力學83

3.4等溫模型87

3.4.1超臨界氫吸附模型87

3.4.2氫吸收模型91

3.5動力學模型93

3.5.1表面滲透模型94

3.5.2氫擴散模型96

3.5.3相變97

參考文獻97



第4章氣體吸附測量技術107

4.1體積法測量技術107

4.1.1壓力測量法108

4.1.2其他體積法110

4.1.3體積法測量動力學111

4.2重量法測量技術112

4.2.1重量法測量系統112

4.2.2應用於重量法的真空微量天平115

4.2.3重量法所需的高壓系統116

4.2.4其他重量法117

4.3熱解吸技術118

4.3.1熱重分析118

4.3.2熱解吸光譜118

4.4測量技術的比較119

參考文獻121



第5章儲氫材料的表征技術124

5.1熱分析和量熱法124

5.2低溫氣體吸附技術126

5.2.1表面積的測定126

5.2.2孔體積的測定127

5.2.3孔徑分布的測定128

5.3粉末衍射133

5.3.1中子衍射134

5.3.2X射線衍射136

5.3.3小角度散射137

5.4光譜檢測技術138

5.4.1非彈性中子衍射光譜139

5.4.2核磁共振光譜140

5.4.3紅外光譜142

5.5其他表征技術143

參考文獻144