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    鎂基儲氫為鎂行業提供新機遇

    2023年10月10日 9:49 2880次瀏覽 來源:   分類: 鎂資訊

    固體儲氫是近年來新能源領域研究和發展的熱點及難點,鎂基儲氫被學術界認為是極具商業價值的儲氫技術路線之一。鎂基儲氫具有儲氫容量大、吸放氫可逆性好、成本低、資源豐富等優點,其理論儲氫量為7.6wt%,體積儲氫密度110kg/m3,被認為是極具應用前景的一類固態儲氫材料。但由于其高熱力學穩定性和較差的動力學性質,MgH2只能在高溫下(≥300℃)才有優異的吸附氫性能,且在放氫循環中,MgH2/Mg顆粒的團聚和長大導致循環穩定性差,仍具有相對苛刻的釋放場景。

    固態儲氫百花齊放

    鎂基儲氫優勢顯著

    在目前的儲氫方式中,固態儲氫系統是最可靠、最安全、最高體積效率的儲氫方式。

    相比于高壓氣態儲氫和低溫液態儲氫,固體材料儲氫能很好地解決傳統儲氫技術儲氫密度低和安全系數差的問題。具體來講,固態儲氫可以大幅提高體積儲氫密度,在常溫常壓下安全性好、氫氣純度高,可長距離運輸、跨季節安全存儲。

    物理吸附類儲氫材料脫附氫能力強,但條件嚴格。在特定條件下對氫氣具有良好、可逆的熱力學吸附、脫附性能,但大多在常溫下儲氫量低,低溫下才能表現出良好的氫吸附能力,不適合氫能規?;瘧?。

    金屬基儲氫材料儲氫密度大,安全指數高。金屬基儲氫材料是研究較早的一類固體儲氫材料,制備技術和制備工藝均已成熟。金屬基儲氫材料儲氫性能高,操作安全,過程清潔無污染。金屬儲氫種類很多,不同金屬在吸放氫過程中反應條件不同,對于反應條件苛刻的金屬,學者們正在通過不同的方式調整其性能,日后反應效率將會得到進一步提升。

    鎂基儲氫密度高

    成本下降空間巨大

    鎂基儲氫是新型儲能技術的重要選擇,被廣泛認為是最具發展潛力的儲氫材料。對于固體儲氫材料的實際應用來講,金屬基儲氫材料目前是極具有應用優勢的。鎂基儲氫材料作為金屬基儲氫材料的一種,有著獨特的優勢。鎂基儲氫具有性能優勢,儲氫密度高,安全性強;具有技術優勢,化學反應簡單,研究團隊實力雄厚;具有資源優勢,鎂資源豐富,成本低;具有環境優勢,反應過程綠色安全,符合“雙碳”目標。因此,鎂基儲氫材料是目前綜合性能最為優異的儲氫材料。

    鎂基儲氫材料儲氫密度高。鎂儲氫密度是氣態氫的1000倍、液態氫的1.5倍。具體而言,MgH2儲氫重量密度可達7.6%,體積儲氫密度可達105kg/m3,同其他類金屬儲氫材料相比具有明顯優勢。

    鎂基儲氫運營成本低。與高壓氣態儲氫和低溫液態儲氫相比,鎂基儲氫無需低溫或高壓裝置,大幅降低運營成本。從原料氣開始,到最后的加氫站,考慮過程中每個環節的設備折舊和能耗,3種儲運氫方式在100千米、300千米、500千米3個運輸半徑的經濟性情況有較大差異。根據氫儲科技測算,3種距離下,鎂基固態儲氫的單位運營成本均低于高壓氣態儲氫和低溫液態儲氫。鎂基固態儲氫運營成本包括充裝設備、固態儲氫車、放氣及增壓設備的投入折舊和能耗。與高壓氣氫和液氫不同點在于,原料氣沒有加壓或液化的過程,鎂基儲氫最大的成本支出為加氫站放氣增壓。

    鎂基儲氫安全性高。氫氣從氣態變為固態后,氫氣可以被儲存在鎂合金材料里,在常溫常壓下進行長距離運輸,安全性大幅提高。2023年4月,全國首臺鎂基固態儲運氫車發布,該輛鎂基固態儲運氫車搭載12個儲氫罐,40尺大小,可以儲存1噸氫氣,是目前主流20MPa高壓長管拖車的3倍以上,是常規(氣態儲氫)3~4倍的存儲量,經濟效益十分明顯。車輛在常溫常壓下儲運,安全性高;能夠適應鐵路、公路、水路等不同的運輸方式,適合長距離、大規模氫運輸。

    鎂基儲氫化學反應簡單,無副產物,控制性良好。單質鎂可以在高溫條件下與氫氣反應生成MgH2,化學反應方程式簡單,反應過程中沒有其他產物。

    鎂基儲氫相關研究團隊近年研究成果頻出。鎂基儲氫研究團隊主要包括上海交通大學丁文江院士團隊、重慶大學潘復生院士團隊、上海交通大學鄒建新教授團隊。

    鎂資源豐富

    可滿足鎂基儲氫大規模應用

    中國鎂資源豐富,原料對外依存度低。鎂資源主要來源于菱鎂礦、含鎂白云巖、鹽湖區鎂鹽以及海水等,我國鎂資源類型全,分布廣泛。中國菱鎂礦儲量僅次于俄羅斯,位居全球第二。在國內,菱鎂礦儲量相對集中且大型礦床多。中國含鎂白云石儲量也很豐富,現已探明儲量40億噸以上,遍及我國各省區。鹽湖鎂主要分布在西藏自治區的北部和青海省柴達木盆地,其中柴達木盆地的鎂鹽儲量占全國已探明儲量的99%。根據USGS數據,2022年我國菱鎂礦產量1700萬噸,占全球總產量的63%。

    進口依賴度低,相較于鋁土礦石而言優勢明顯。我國鎂錠產量90萬噸,占全球總產量的90%。

    中國是鎂資源和原鎂生產大國,鎂合金的應用推廣有著先天優勢。當前,國資和民營資本逐步進入鎂合金行業,國內核心整車廠也開始不斷嘗試鎂合金產品的應用和開發。

    鎂基儲能材料可回收,對環境友好,反應過程中無“三害”產生。國家發展改革委、國家能源局關于推動新型儲能發展的指導意見指出,“新型儲能是支撐新型電力系統的重要技術和基礎裝備,對推動能源綠色轉型有重要意義”,要求“以需求為導向,探索開展儲氫、儲熱及其他創新儲能技術的研究和示范應用”。新型儲能材料與裝備的發展是實現“雙碳”目標的關鍵途徑和剛性需求,更是國家未來競爭力的重要體現,鎂基儲氫是新型儲能技術的重要選擇。

    降低吸附氫所需溫度

    是鎂基儲氫發展關鍵

    降低吸附氫所需的溫度是鎂基儲氫發展的關鍵。MgH2熱力學穩定性高但動力學性質差,只有在高溫下才有優質的吸附氫性能,且在吸放氫循環中,MgH2/Mg顆粒的團聚和長大導致循環穩定性差。因此,為了使MgH2在儲氫應用中得到廣泛應用,必須調整其熱力學和動力學性能,以降低鎂基儲氫吸附氫所需的溫度,放寬反應條件。目前在改善MgH2/Mg體系儲氫性能方面,多使用納米化、合金化、添加催化劑、復合輕金屬配位氫化物等方法。

    MgH2尺寸的納米化可以調控熱力學和動力學性能,有利于氫分子的吸附和擴散。

    當塊體MgH2尺寸被減小至納米級別時,材料的比表面積、表面能、晶界密度都將發生顯著改變。高的表面能有利于氫分子的解離,納米顆粒表面與H2反應的活性位點大量增加;由于尺寸的減小,H原子的擴散距離隨之縮短,避免了H的長程擴散;大量的晶界為H原子的快速擴散提供了通道。

    合金化能有效降低鎂基儲氫材料吸附氫所需溫度,但是與過渡金屬合金化后材料的儲氫量會有明顯的降低。通過將Mg與過渡金屬復合,能夠制備出含有單相或多相的鎂基儲氫合金,合金的存在可以促進氫的解離和吸附,添加的金屬元素與Mg和H結合生成次穩定的氫化物而降低MgH2的穩定性,多相邊界也可以為吸/放氫反應提供大量的活性位點,從而改善Mg/MgH2儲氫體系的儲氫性能。

    添加催化劑改性是最簡單,最高效的方法。添加催化劑能在Mg/MgH2吸放氫過程中的H吸附、解離和H2分子的擴散提供活性位點,改善其動力學性能。目前,常用于改善Mg/MgH2體系性能的催化劑,主要是過渡金屬單質、金屬氧化物、其他過渡金屬化合物和碳基材料等。

    用輕金屬配位氫化物與MgH2構建復合材料可以顯著增加體系的儲氫容量,改善熱力學性能,但動力學性能仍有不足,仍需進一步調整。輕金屬配位氫化物由于都是由輕質元素組成,其理論儲氫容量要比其他傳統的固體儲氫合金高很多,學者使用多種材料進行嘗試,實現了更高的吸放氫容量。

    責任編輯:葉倩

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