氢能源
摘要：面对工业的迅速发展，能源在全世界出现了危机，为了更好的生存发展，人类迫切需要开发利用新能源。氢能源作为一种高效绿色的清洁能源，得到了各国人士的重视。人们从氢能源的制备、储氢材料的开发、氢能源的应用等方面进行了细致的研究，取得了一定的进展，但还有许多待解决的问题，但这仍阻挡不了氢能源举足轻重的位置。
关键词：能源危机 氢制取 储氢材料
能源危机
人类日常生活、工业的迅速发展都离不开能源的支持。能源是发展国民经济、维持人们生活水平的基石。工业革命的发生也正是由于人类学会了转变和使用控制各种不同的能源，有化学能、热能到机械能、电能，使人类社会的各项事业迅速发展，让人类进入了更加快速、文明的新时期。一个国家的经济增长与其能源消费的增长密切相关。过去工业革命靠煤支持了60年。从1948年起，石油的消耗量赶了上来，在20世纪内，世界人口增长了3倍，但能源消耗却增大了30倍，这里还没有考虑绝大多数发展中国家人均能源消费大大低于发达国家这一因素。照目前世界石油消耗量的增长速度估计，全世界石油储量大约20～50年之后就会消耗80%①。据最近的报道，全球的石油尚可开采39年，煤可开采221年，天然气可开采60年，就算尚有许多石油、煤、天然气尚未被探出，即使上述年限翻一番，但也总有个期限，期限过后怎么办？人类的子孙后代用什么做燃料？加上大量使用化石燃料会造城极大的环境污染，人类又该怎么样健康的延续后代？
氢能源
关于氢能源最早的文字记载是出自凡尔纳1870年写的科幻小说《神秘岛》，书中记载“我相信总会有一天可以用水来做燃料，组成水的氢和氧可以单独或合在一起被使用。这将为热和光提供无限的来源。所供给的光和热是煤炭所无法达到的，所以我相信，一但煤矿枯竭了，我们将会用水来供热和取暖。水将来是未来的煤炭。”现在看来凡尔纳的预言并不是无稽之谈，氢能源已渐渐走入社会大舞台。
氢能是一种二次能源，它是通过一定的方法利用其他能源制取的，是一种理想且极为优越的新合能体能源。氢是自然界存在的最普遍的元素。据推算，如果把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比全球所有化石燃料放出的热量还大9000倍。氢发热值高，达到121061J/g，是汽油的三倍。氢的燃烧产物是水，对环境无任何污染，而氢气在燃烧中产生氮氧化物，比石油基燃料低80%②。氢作为燃料用于交通运输、热能和动力产生中时，具有高效率、高效益的特点，而且氢反应的产物是水和热，是真正意义上的清洁能源和可持续能源，这对能源可持续性利用、环境保护、降低空气污染与大气温室效应方面将产生革命性的影响。
氢能源的制取
氢能源的获取方法大概有两类，一类是进过重整或部分氧化制氢，另一类是以水为原料，通过电解或热解制氢。这些传统的方法需要消耗大量的能源，并会放出大量的温室气体。所以人们一直在寻求更优化的制氢方法，并也取得了一定的进展。
值得一提是利用太阳能光催化分解水制氢，这种方法所需装置简单、反应条件温和，是最具吸引力的制氢方法。例如：利用NiO-NaTaO3：La作为光催化剂进行裂解水制氢，其量子效率已达到了56%③。目前，人们已获得了在紫外区具有很高活性的制氢材料，即利用固溶体催化剂。固溶体催化剂具有内在的稳定性，不需要掺杂即可获得可见光效应。其中CuInS2系材料在太阳能制氢方面的研究最引人注目，最近东京理工大学的研究人员报道，利用CuInS2与钌的复合物实现了可见光高效制氢。其产氢速率达到了每平方米水面每小时3L，这已基本达到实用的要求。由此可知，CuInS2基的半导体固溶体、复合物是一类很有前途的太阳能光催化制氢材料，有可能得到广泛应用，应得到人们的重视④。
然制氢方法的探寻脚步并没有停止。据国外媒体报道，科学家近日研发出第一款使用的人工树叶，可在光照下将水变成氢能源和氧气。该研究团队的负责人Daniel G. Nocera介绍说：“其中最中最要的就是水分解成氢气和氧气的过程。”这款人工树叶有一个太阳光收集器，夹在两片薄膜之间，这两片薄膜会产生氧气和氢气。浸入一瓶水中，在阳光的照射下，它就会冒泡，释放出氢气，可用于燃料电池进行发电。这些自给的装置可以制成电力燃料，对于偏僻地方和发展中国家有很大的吸引力⑤。
美国普渡大学的研究员已经开发出一种通过与水反应后能分裂产生氢气的新的富铝合金。新的合金含有95%的铝和5%的镓铟锡合金，由于镓的比例大大低于以往形式的合金，氢气的产生不再那么昂贵。从氧化铝中回收铝，惰性镓铟锡合金仍可反复使用60次，利用这项技术产生氢气和热能的成本会减少到10美分/千瓦时，这使其成为具有竞争力的能源技术⑥。
储氢技术
随着制氢技术的日趋成熟，相应的储氢技术也得到了发展。现有的储氢材料主要有合金、碳材料、有机液体以及络合物。
一、金属氢化物储氢材料
金属氢化物是氢和金属的化合物，氢原子进入金属价键结构形成氢化物。用作金属氢化物的金属或金属化合物的热性能都比较稳定，能够进行频繁的充放循环，并且不易被二氧化碳、二氧化硫和水蒸气腐蚀。符合这些条件的金属和金属化合物主要是Mg、Ti、Ti2Ni、Mg2Ti、MgN2、NaAl等，储氢合金不仅具有安全可靠、储氢能耗低、单位体积储氢密度高等优点。LaNi5是最早开发的稀土储氢合金，它的优点是活化容易、分解氢压适中、吸放氢平衡压差小、动力学性能优良、不易中毒等，但它在吸氢后会发生晶格膨胀，合金易粉碎。但其吸放氢速度较慢、氢化物稳定导致释氢温度过高、表面容易形成一层致密的氧化膜等缺点，使其实用化进程受到限制。钛系储氢合金最大的优点是放氢温度低（-30℃）、价格适中，缺点是不易活化、易中毒、滞后现象比较严重。钒基固溶体型储氢合金的特点是可逆储氢量大、可常温下实现吸放氢、反应速率大，但合金表面易生成氧化膜，增大激活难度。
金属氢化物储氢具有较高的容积效率，使用也比较安全，但质量效率较低。因此，该技术的发展方向主要是：⑴开发更轻、更便宜的金属材料⑵加快金属氢化物对氢的充放过程⑶减小由于频繁充放氢而对储氢系统造成的损害⑷可以考虑将金属氢化物和压缩储氢相结合，达到最佳的容积和质量储存效率⑦。
二、碳质储氢材料
碳是最好的吸附剂，主要有高比表面积活性炭、石墨纳米纤维、碳纳米管。
超级活性炭吸附储氢是利用高比表面积的活性炭做吸附剂的吸附储氢技术，与其他技术相比，它具有经济、储氢量高、解吸快、循环使用寿命长和容易实现规模化生产等优点。
三、络合物储氢材料。
起源于硼氢化络合物的高含氢量，日本科研人员首先开发了氢化硼钠和氢化硼钾等络合物储氢材料，通过他们加水分解可产生比其自身含氢量还多的氢气。后又制得NaAlH4作为储氢材料，但在室温下它的分解速率很低，需要加入催化剂降低其反应活化能。氢化硼和氢化铝络合物是很有发展前景的新型储氢材料，但为了使其能得到实际应用，人们还需探索新的催化剂或将现有的钛、锆、铁催化剂进行优化组合以改善NaAlH4等材料的低温放氢性能，而且对于这类材料的回收—再生循环利用也必须进一步深入研究。
四、有机物储氢材料
其原理是借助不饱和液体有机物和氢的一对可逆反应，即加氢反应和脱氢反应实现的。其特点是：⑴储氢量大，苯和甲苯的理论储氢量分数分别是7.19%和6.18%⑵便于储存和运输⑶可多次循环使用⑷加氢反应放出的热量可供利用。
储氢技术是氢能利用走向实用化、规模化的关键，而储氢材料则是储氢技术发展的基础。目前的一些储氢材料和技术离氢能的实用化还有较大的距离，在质量和体积储氢密度、工作温度、可逆循环性能以及安全性等方面，还不能满足要求。目前急待解决的关键问题是：⑴立足化学制备方法和途径，研发高性能储氢材料，为新材料的制备奠定基础⑵加强储氢机理研究，为新材料的发展提供理论基础⑶向轻元素如Li，B，C，N或混合轻元素方向发展，提高储氢密度⑷立足实用，发展储氢材料的大规模连续制备技术⑸将氢气的储存—释放系统作为整体，发展实用的储氢系统⑧。
氢能源利用
据报道，世界上首座氢能源发电站于2010年7月12日在意大利正式建设投产。意大利国家电力公司投资5000万欧元建成这座清洁能源发电站，该发电站功率为16MW，每年发电量可达6000万Kw·h，可满足2万家庭的用电需求，1年可减少相当于6万吨的二氧化碳排放量⑨。
面对能源危机，人类不断研究探索，最终以氢能源的问世带来了福音，虽然在技术等方面还存在一定的不足，但是对于这种绿色、高效的氢能源，它必将成为新时代的宠儿，为人类的进步和发展发挥出举足轻重的作用。
注释：
① 绿色化学第一章第二节
②孙欣.氢能源的发展现状及展望[J].技术与市场，2012. 19（4）
③ 康诗钊，杨秋玲，穆劲.太阳能光催化分解水制氢的研究进展[J].Worldwide Vision.2009—13
④ 康诗钊，杨秋玲，穆劲.太阳能光催化分解水制氢的研究进展[J].Worldwide Vision.2009—13
⑤“人造树叶”能将水变成氢能源[J].前沿科学（季刊），2012.2.6
⑥ 张小红编译.新富铝合金可产生大规模氢能源[J].技术与装备，2009.（3）
⑦ 周建伟.储氢材料的研究进展[J].化学教育，2008（1）
⑧ 李洪飞，于利成.储氢材料的研究进展与应用[J].科技向导，2011（12）
⑨ 李帆.世界首座氢能发电站在意建成[J].农村电工，2010（10）
参考文献：
[1]周建伟.储氢材料的研究进展[J].化学教育，2008（1）
[2]孙欣.氢能源的发展现状及展望[J].技术与市场，2012. 19（4）
[3]“人造树叶”能将水变成氢能源[J].前沿科学（季刊），2012.2.6
[4]新型活性炭可有效存储氢能源[J].科技信息，2011. 8（5）
[5]张小红编译.新富铝合金可产生大规模氢能源[J].技术与装备，2009.（3）
[6]康诗钊，杨秋玲，穆劲.太阳能光催化分解水制氢的研究进展[J].Worldwide Vision.2009—13
[7]李洪飞，于利成.储氢材料的研究进展与应用[J].科技向导，2011（12）
[8]李帆.世界首座氢能发电站在意建成[J].农村电工，2010（10）
