수소저장재료란 무엇인가요?

수소저장합금이란 특정 온도와 수소 압력에서 대량의 수소를 가역적으로 흡수, 저장, 방출할 수 있는 금속간 화합물을 말한다.

수소저장합금은 두 부분으로 구성되는데, 그 중 하나는 수소를 흡수하는 원소 또는 수소와 강한 친화력을 갖는 원소(A)로, 수소 저장량을 조절하는 핵심 원소이다. 수소 저장 합금의 조성은 주로 Ti, Zr, Ca, Mg, V, Nb, Re(희토류 원소)와 같은 ⅠA~ⅤB족 금속이며, 다른 부분은 수소 흡수 능력이 작은 원소(B)입니다. 또는 수소 흡수가 전혀 없습니다. 수소 흡착/방출의 가역성은 Fe, Co, Ni, Cr, Cu, Al 등의 발생열 및 분해 압력을 조절하는 역할을 합니다. 그림 1은 일부 금속 수소화물의 수소 저장 능력을 나열합니다.

현재 전 세계적으로 다양한 수소 저장 합금이 개발되어 있으며, 수소 저장 합금 금속 원소의 수에 따라 이원계, 삼원계, 다성분계로 나눌 수 있습니다. ; 수소 저장 합금 재료에 따라 주요 금속 원소는 희토류 계열, 마그네슘 계열, 티타늄 계열, 바나듐 기반 고용체, 지르코늄 계열 등으로 구분되며, 수소 저장을 구성하는 금속도 있습니다. 합금은 수소를 흡수하는 합금(A로 표시)과 비수소를 흡수하는 합금(B로 표시)으로 나눌 수 있으며, 이에 따라 수소저장합금은 AB5형, AB2형, AB형으로 나눌 수 있습니다. A2B형. ?

무기 및 유기 수소 저장 물질

일부 무기 물질(예: N2, CO, CO2)은 H2와 반응할 수 있으며, 생성물은 연료로 사용되거나 분해되어 수소를 얻을 수 있습니다. H2는 현재 연구되고 있는 새로운 수소 저장 기술입니다. 예를 들어, 중탄산염과 포름산염의 상호 전환 수소 저장 반응은 Pd 또는 PdO를 촉매로 사용하고 흡습성이 높은 활성탄을 담체로 사용하며 KHCO3 또는 NaHCO3를 수소 저장제로 사용합니다. 수소 저장 용량은 2wt%에 도달할 수 있습니다. 이 방식의 가장 큰 장점은 대량으로 보관 및 운반이 용이하고 안전성이 좋다는 점이지만, 수소 저장능력과 가역성은 그다지 좋지 않다.

일부 금속은 물과 반응하여 수소를 생성할 수 있습니다. 예를 들어, 반응 후 NaOH가 생성되며, 수소의 대량저장밀도는 3wt%이다. 이 반응은 되돌릴 수 없지만 NaOH는 태양열로를 통해 금속 Na로 환원될 수 있습니다. 마찬가지로 Li에도 이 공정이 있으며 수소의 대량 저장 밀도는 6.3wt%입니다. 이 수소 저장 방법의 주요 어려움은 가역성과 금속 환원 제어입니다. 현재 Zn의 적용은 비교적 성공적이다.

Li3N의 이론적인 수소 흡수 용량은 11.5wt%이며, 255°C의 수소 대기에서 30분 동안 유지하면 총 수소 흡수 용량은 9.3wt%에 도달할 수 있습니다. 200℃에서 충분한 시간을 주면 흡수가 일어납니다. 200℃ 진공(1mPa) 하에서 6.3wt%의 수소가 방출되고, 나머지 수소는 고온(320℃ 이상)에서만 방출될 수 있습니다. 다른 금속 수소화물과 달리 Li3N은 PCT 곡선에 두 개의 평탄도를 가지고 있습니다. 첫 번째는 평탄 압력이 더 낮고 두 번째는 경사입니다.

유기수소 저장 기술은 1980년대부터 시작됐다. 유기물의 수소 저장은 불포화 액체 유기물과 수소 사이의 한 쌍의 가역 반응, 즉 촉매 수소화와 탈수소화의 가역 반응을 사용하여 달성됩니다. 수소화 반응은 수소의 저장(화학적 결합)을 실현하고, 탈수소화 반응은 수소의 방출을 실현합니다. 새로운 수소 저장 기술로서 유기 액체 수소화물 수소 저장에는 많은 장점이 있습니다. 벤젠과 톨루엔의 이론적인 수소 저장 용량은 각각 7.19wt%와 6.18wt%입니다. 운반체는 휘발유와 유사하여 저장, 운송, 유지관리가 안전하고 편리하여 기존의 석유저장 및 운송시설의 활용이 용이하며 불포화유기액체화합물을 수소저장제로 여러번 사용할 수 있습니다. , 수명은 최대 20년입니다. 그러나 이러한 방식은 수소화 및 탈수소화 과정에서 상대적으로 가혹한 조건을 가지고 있고, 사용된 촉매가 비활성화되기 쉬우므로 계속해서 추가적인 연구가 진행되고 있다. ?

나노 수소 저장 물질

양자 크기 효과, 작은 크기 효과 및 표면 효과로 인해 나노 물질은 독특한 물리적, 화학적 특성을 많이 나타내며 물리학, 화학 및 과학 분야의 중심이 됩니다. 재료. 다른 분야의 최첨단 연구 분야. 수소 저장 합금이 나노 크기화되면 활성화 성능이 크게 향상되고 수소 확산 계수가 높아지며 우수한 수소 흡수 및 방출 운동 특성과 같은 많은 새로운 열역학적 및 운동학적 특성도 나타납니다. 나노수소저장재료는 일반적으로 수소저장능력, 사이클 수명, 수소화-탈수소화 속도 측면에서 일반 수소저장재료보다 우수한 성능을 갖는다. 그것은 가지고 있지 않습니다. 입자 크기가 작기 때문에 수소가 금속 내부로 확산되어 격자간 고용체를 형성할 가능성이 더 높으며, 표면 흡착 현상도 더욱 두드러집니다. 따라서 수소 저장 물질의 나노미터화는 현재 뜨거운 주제가 되고 있습니다. 수소저장재료 연구. 수소저장합금의 나노기술은 수소저장능력이 높은 수소저장재료 연구에 새로운 연구방향과 아이디어를 제공합니다. Tanaka 등은 나노-수소 저장 합금의 우수한 동적 특성에 대한 이유를 다음과 같이 요약했습니다. (1) 많은 수의 나노 입자 경계로 인해 수소 원자가 쉽게 확산됩니다. (2) 나노 결정은 매우 높은 비표면적을 갖습니다. (3) 나노 수소 저장 물질은 수소화물 층을 통한 수소 원자의 장거리 확산을 방지하고 수소 원자의 확산이 가장 많이 발생합니다. 동적 성능을 제어하는 ​​중요한 요소입니다.

일반적인 상황에서 Ni-Al 합금은 수소 흡수 특성을 갖지 않습니다. Wei Jianjun 등은 단일 상 금속간 화합물 AlNi 나노입자를 제조하기 위해 자체 서스펜션 방향 흐름 방법을 사용했습니다. 90-100°C에서 수소 공정에서 최대 흡착 용량은 재료 자체 중량의 7.3%에 도달할 수 있습니다. ?

탄소재료의 수소저장

흡착수소저장은 최근 등장한 새로운 수소저장 방식으로 안전성과 신뢰성, 높은 저장효율 등의 장점을 갖고 있다. 수소를 흡착하고 저장하는 재료 중에서 탄소질 재료는 최고의 흡착제입니다. 적은 수의 가스 불순물에 둔감할 뿐만 아니라 반복적으로 사용할 수도 있습니다. 탄소성 수소저장재료는 주로 고비표면적 활성탄(AC), 흑연나노섬유(GNF), 탄소나노튜브(CNT) 등이 있다. ?

배위수소화물 수소저장

배위수소화물 수소저장은 알칼리 금속(Li, Na, K 등)이나 알칼리 토금속(Mg, Ca 등)을 사용하는 원소이다. 세 가지 주요 그룹은 수소와 배위 수소화물을 형성할 수 있습니다. 금속 수소화물과 금속 수소화물의 주요 차이점은 수소 흡수 과정에서 이온 또는 고가 화합물로 변환되는 반면, 금속 수소화물의 수소는 원자 상태로 합금에 저장된다는 것입니다.

표 1은 일부 배위 수소화물을 보여줍니다. 이는 매우 높은 수소 저장 용량을 포함하므로 우수한 수소 저장 매체로 사용할 수 있음을 알 수 있습니다. 그 중 LiBH4, NaBH4 및 KBH4는 산업적 생산을 달성했습니다. .

LiBH4, NaBH4 등 금속붕수소화물은 실온에서 분해율이 매우 낮다는 점을 지적해야 한다. 불활성 분위기이며 사이클 성능에 대한 연구는 거의 없습니다. 이러한 이유로 Bogdanovic 등은 NaAlH4를 연구 대상으로 삼아 촉매가 반응 활성화 에너지를 감소시킬 수 있으며 Ti4+가 Zr4+보다 촉매 성능이 더 우수하다는 사실을 발견했습니다.

배위수소화물 연구개발을 위해서는 저온 수소 방출 성능과 사이클 성능을 향상시키기 위한 새로운 촉매나 기존 촉매(Ti, Zr, Fe)의 최적화된 조합이 필요합니다. ?

수화물 수소 저장

구멍 모양 수화물이라고도 알려진 가스 수화물은 수소 결합을 통해 물 분자로 형성된 주 공동이 있는 얼음 같은 결정체입니다. 약한 반 데르 발스 힘의 작용을 받는 분자이며 일반 반응식은 다음과 같습니다.

R+nH2O----R·nH2O(고체) + △H(반응열)

수화물은 일반적으로 세 가지 구조를 가지고 있습니다. 자세한 내용은 그림 2와 표 2를 참조하세요. 많은 가스나 휘발성 액체는 천연가스, 이산화탄소, 다양한 프레온 냉매 등 특정 온도 및 압력 조건에서 물과 함께 가스 수화물을 형성할 수 있습니다.

수소의 수화물 저장에는 많은 장점이 있습니다. 첫째, 수소 저장 및 수소 방출 과정은 완전히 가역적이며, 수소 저장 물질은 물이며, 수소 방출 후 남은 생성물은 물뿐이므로 오염되지 않습니다. 물은 자연계에 대량으로 존재하고 가격이 저렴합니다. 둘째, 물의 형성과 분해를 위한 온도와 압력 조건이 상대적으로 낮고 빠르며 에너지 소비도 적습니다. 가루얼음이 수소수화물을 형성하는 데는 몇 분밖에 걸리지 않으며, 블록얼음이 수소수화물을 형성하는 데는 몇 시간밖에 걸리지 않습니다. 수화물이 분해되면 수소는 수화물 기공에 분자 형태로 포함되어 있기 때문입니다. 정상적인 온도와 압력에서 가열하면 수화물에서 수소가 방출될 수 있으며 분해 과정은 매우 안전하고 에너지를 거의 소비하지 않습니다. 따라서 미국, 일본, 캐나다, 한국 및 유럽에서는 수화물을 사용하여 수소를 저장하는 방법을 연구하는 것이 매우 의미가 있습니다.