現(xiàn)在氫的工業(yè)應(yīng)用非常廣泛。它是制造化學(xué)品的原料,比如氨和過氧化氫。它是很多反應(yīng)的還原劑,比如煉鋼和浮法玻璃制備。它可以提供渦輪機(jī)的冷卻,甚至可用于食物比如氫化蔬菜油。石油化工對(duì)低硫燃料的需求也成為氫的一個(gè)巨大消費(fèi)渠道。市場(chǎng)對(duì)氫的需求隨著經(jīng)濟(jì)增速的增加不斷提高。
此外,把氫用于能量載體是一個(gè)新興市場(chǎng),看看飛馳而過的能量電池車。這個(gè)技術(shù)在鏟車,巴士上都已用了很多年。現(xiàn)在歐洲,日本和韓國正建造充電的基礎(chǔ)設(shè)施,以方便更多客車使用。世界很多主流汽車生產(chǎn)商正準(zhǔn)備在2015至2017年間制造出商用的能量電池車。
有這些不斷發(fā)展的市場(chǎng),氫存儲(chǔ)方式將得到很大的改進(jìn)?,F(xiàn)在氫主要以15-20大氣壓下的氣態(tài)形式通過鐵殼船或氣罐車存儲(chǔ)和運(yùn)輸。然而壓縮氣體存儲(chǔ)有幾個(gè)缺點(diǎn)。氫壓縮需要額外的能量,氫的濃度很小,有時(shí)候只有存儲(chǔ)介質(zhì)重量的1%。還有諸如此類關(guān)系到成本,費(fèi)用以及安全的問題[1,2,3]。
壓縮氫的安全性值得思考。一旦容器受到損害,會(huì)產(chǎn)生爆炸。就是泄漏也會(huì)有引燃的可能。即使是很少量的泄漏也會(huì)引發(fā)火苗。周圍需要嚴(yán)格禁火。這樣的存儲(chǔ)空間開銷很大,有時(shí)候禁火區(qū)可能要幾米開外的空地。
此外,有些區(qū)域,比如在北美和日本,液態(tài)氫是存在的。這就需要更高密度的存儲(chǔ)容器,但是液化的過程中,-253攝氏度和液化過程都飛常費(fèi)錢[1]。如果容器受到損傷,泄漏風(fēng)險(xiǎn)要高于氣態(tài)氫的存儲(chǔ)。液氫蒸發(fā)引燃后甚至?xí)l(fā)蒸汽云爆炸[4]。
還有一個(gè)不便之處就是液氫運(yùn)輸過程中和周圍熱交換的蒸發(fā)。基于這些缺點(diǎn),新的存儲(chǔ)和運(yùn)輸方法有待開發(fā)。氫運(yùn)輸目標(biāo)氣壓應(yīng)該是,70大氣壓下存儲(chǔ)于碳結(jié)構(gòu)容器而不是鐵罐。這相對(duì)于20大氣壓下,存儲(chǔ)密度更高,危險(xiǎn)越大,成本也越高。因此很多研究人員試圖通過化學(xué)或物理結(jié)合使氫完成固態(tài)存儲(chǔ)。比如金屬氫化物,復(fù)合氫化物和多孔碳材料[5,6]。
研究發(fā)現(xiàn)很多材料有其局限性。有的有毒性,有的需要高壓或者低溫。有些只能一次性使用,有的成本高昂。鎂成為唯一的希望。最近,昆士蘭大學(xué)發(fā)現(xiàn)了低成本制造高性能氫化鎂的方法。2006年,Hydrexia公司成為私營企業(yè)依據(jù)這一發(fā)現(xiàn)開發(fā)鎂的材料。
Hydrexia的氫化鎂:
鎂的存儲(chǔ)功用已經(jīng)為大家熟識(shí)幾十年了。然而通過反應(yīng)存儲(chǔ)氫化(吸收氫)和脫氫(排出氫)過程非常慢。1968年有一個(gè)突破,人們發(fā)現(xiàn)添加催化劑鎳,可提高反應(yīng)速度[5]。進(jìn)一步通過球磨法使金屬研磨到納米顆粒以除去氧化層。即增加了表面積,又提高了催化劑的接觸率。并引入晶格應(yīng)變來改進(jìn)材料的通過性,最終達(dá)到充分的反應(yīng)效果達(dá)到商業(yè)需求。然而,球磨法因耗能過高,生產(chǎn)率低,和研磨過慢而無法使用?,F(xiàn)在這個(gè)問題通過用鎂鎳合金不需要球磨法而得以推廣應(yīng)用。
鎂是非常適合儲(chǔ)氫的材料,原因如下。氫化鎂可帶有最大理論值7.6wt%的氫,比AB5,AB2, 和TiFe合金小于2wt%的含量高許多,且鎂相對(duì)廉價(jià)。該族金屬原料成本每克美金0.3-2.5。相比之下,Hydrexia的合金成本每克0.04-0.06美金要低得多。鎂無毒,氫化脫氫反應(yīng)在250攝氏度以上才可發(fā)生,阻止了可能的泄漏。