镁源资讯 | 固态储氢技术的“破壁之战”：正面临哪些未被预见的挑战？

1.1 氢能的应用与发展

随着全球对二氧化碳排放问题的日益重视，清洁能源的研究与应用逐渐成为焦点。氢能因其环保特性和储能优势备受关注，被各国政府列入清洁能源发展的重要计划。其中，氢能以其广泛的来源、环保的特性以及独特的储能和发电优势，备受瞩目。为推动氢能的发展，国务院办公厅在2020年印发的《新能源汽车产业发展规划（2021－2035年）》中明确提出，要力争在15年内稳步推进氢燃料供给体系建设，并着重攻克氢能储运、加氢站及车载储氢等关键技术。

1.2  固态储氢技术

固态储氢技术，以其安全高效的特点，在储氢领域中脱颖而出，成为研究的热点。固体储氢材料是氢能领域的重要研究内容，它们主要包括碳质材料、金属氢化物、配位氢化物、金属有机骨架以及氢气水合物等。每种方法都有其独特之处，同时也面临着各自的挑战。通过对比分析，我们可以更好地理解每种方法的优势和局限，从而为氢能的实际应用提供更有价值的参考。

2.1  碳质材料在固态储氢中的应用

固态储氢，一种通过固体材料对氢气的物理吸附或化学反应来储存氢气的方法，以其安全、高效和高密度的特点脱颖而出。碳质材料通过物理吸附储存氢气，不同碳材料展现出各自的储氢潜力。这类固体储氢材料涵盖碳质材料、金属氢化物、配位氢化物、金属有机骨架以及氢气水合物等多样类型。然而，要实现固态储氢技术的进一步发展，并推动氢能的有效利用，其核心在于不断探索、研制和优化高性能的储氢材料。

2.2  金属氢化物的储氢潜力与挑战

金属氢化物，作为金属合金与氢发生可逆反应的产物，具有一定的储氢潜力。然而，在实际应用中，它们需要能够在数千次循环中保持其反应性和容量，这限制了可用于储氢的金属氢化物种类。尽管如此，金属氢化物仍然以其高体积储氢密度和低重量储氢能力而受到关注。金属氢化物具有高储氢密度，但存在氢解吸困难及成本高等挑战。此外，金属氢化物如MgH2作为储氢介质也存在一些挑战，包括氢解吸需要高温、解吸动力学缓慢以及对空气和氧气的反应性高等问题。

2.3  配位氢化物与其他材料

配位氢化物，包括铝氢化物、氨基化合物以及硼氢化物的I和II族盐，是一类备受关注的固态储氢材料。与金属氢化物有所不同，它们通过共价键将氢分子连接到复合阴离子的中心原子上，形成独特的盐类结构。然而，这类材料在储氢过程中面临几个挑战，包括反应温度高、放氢时产生副产物以及储氢量相对较低等。配位氢化物通过化学键储存氢，但反应温度高且副产物多。

2.4  金属有机骨架与氢气水合物

金属有机骨架材料（MOFs）是一类独特的无机-有机杂化晶体多孔材料。它们由氧或氮原子配位的金属离子或团簇构成，展现出高比表面积、永久孔隙率、可调孔径以及出色的热稳定性。尽管如此，MOFs在实际应用中仍面临一些限制，例如水的不稳定性、较低的吸附热以及规模化生产的困难。氢气水合物是在特定温度和压力下，氢气与水相互作用形成的非固定计量笼形晶体化合物。金属有机骨架和氢气水合物有独特优点，但各自存在制备和成本问题。

固体储氢因其出色的安全性和高体积比容量而备受瞩目。在各种固态储氢方法中，金属氢化物储氢以其成熟的技术和广阔的应用前景脱颖而出。目前，国际上已有多个领域成功应用了成熟的储氢材料，如热电联供、储能以及摩托车载燃料电池等。此外，固态储氢在商业领域的应用也在不断拓展，如大巴车、卡车等交通工具的能源供应，以及备用电源和固态储氢电动车的开发等。尽管仍面临诸多挑战，但固体储氢的商业应用前景仍充满希望。