现在氢的工业应用非常广泛。它是制造化学品的原料,比如氨和过氧化氢。它是很多反应的还原剂,比如炼钢和浮法玻璃制备。它可以提供涡轮机的冷却,甚至可用于食物比如氢化蔬菜油。石油化工对低硫燃料的需求也成为氢的一个巨大消费渠道。市场对氢的需求随着经济增速的增加不断提高。
此外,把氢用于能量载体是一个新兴市场,看看飞驰而过的能量电池车。这个技术在铲车,巴士上都已用了很多年。现在欧洲,日本和韩国正建造充电的基础设施,以方便更多客车使用。世界很多主流汽车生产商正准备在2015至2017年间制造出商用的能量电池车。
有这些不断发展的市场,氢存储方式将得到很大的改进。现在氢主要以15-20大气压下的气态形式通过铁壳船或气罐车存储和运输。然而压缩气体存储有几个缺点。氢压缩需要额外的能量,氢的浓度很小,有时候只有存储介质重量的1%。还有诸如此类关系到成本,费用以及安全的问题[1,2,3]。
压缩氢的安全性值得思考。一旦容器受到损害,会产生爆炸。就是泄漏也会有引燃的可能。即使是很少量的泄漏也会引发火苗。周围需要严格禁火。这样的存储空间开销很大,有时候禁火区可能要几米开外的空地。
此外,有些区域,比如在北美和日本,液态氢是存在的。这就需要更高密度的存储容器,但是液化的过程中,-253摄氏度和液化过程都飞常费钱[1]。如果容器受到损伤,泄漏风险要高于气态氢的存储。液氢蒸发引燃后甚至会引发蒸汽云爆炸[4]。
还有一个不便之处就是液氢运输过程中和周围热交换的蒸发。基于这些缺点,新的存储和运输方法有待开发。氢运输目标气压应该是,70大气压下存储于碳结构容器而不是铁罐。这相对于20大气压下,存储密度更高,危险越大,成本也越高。因此很多研究人员试图通过化学或物理结合使氢完成固态存储。比如金属氢化物,复合氢化物和多孔碳材料[5,6]。
研究发现很多材料有其局限性。有的有毒性,有的需要高压或者低温。有些只能一次性使用,有的成本高昂。镁成为唯一的希望。最近,昆士兰大学发现了低成本制造高性能氢化镁的方法。2006年,Hydrexia公司成为私营企业依据这一发现开发镁的材料。
Hydrexia的氢化镁:
镁的存储功用已经为大家熟识几十年了。然而通过反应存储氢化(吸收氢)和脱氢(排出氢)过程非常慢。1968年有一个突破,人们发现添加催化剂镍,可提高反应速度[5]。进一步通过球磨法使金属研磨到纳米颗粒以除去氧化层。即增加了表面积,又提高了催化剂的接触率。并引入晶格应变来改进材料的通过性,最终达到充分的反应效果达到商业需求。然而,球磨法因耗能过高,生产率低,和研磨过慢而无法使用。现在这个问题通过用镁镍合金不需要球磨法而得以推广应用。
镁是非常适合储氢的材料,原因如下。氢化镁可带有最大理论值7.6wt%的氢,比AB5,AB2, 和TiFe合金小于2wt%的含量高许多,且镁相对廉价。该族金属原料成本每克美金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。镁无毒,氢化脱氢反应在250摄氏度以上才可发生,阻止了可能的泄漏。