新型功能材料概论课件

*1*1“863”计划：把新型材料定为我国高新技术规划的7个主要研究领域之一“973计划”：进一步把功能材料技术作为重点的研究项目。*2“863”计划：把新型材料定为我国高新技术规划的7个主要研究本章介绍目前国内外迅速发展的各种新型功能材料的组成、结构、性能、制备和应用，着重论述反映当代功能材料科学发展的主要前沿领域。如：智能材料、形状记忆材料、梯度功能材料、储氢材料、功能陶瓷材料、超导材料、磁性材料、信息材料、光学功能材料、功能复合材料、生物医用材料等。*3本章介绍目前国内外迅速发展的各种新型功能材料的组*4第一节功能材料概论*4第一节功能材料概论主要内容功能材料发展和分类加快发展高技术新材料的建议*5主要内容*5*6*6*7功能材料就是在这一前提下发展起来的。而新型功能材料是指新近发展起来和正在发展中的具有优异性能和特殊功能，对科学技术尤其是对高技术的发展及新产业的形成具有决定意义的新材料。*7功能材料就是在这一前提下发展起来的。而新型功能材料是指新*8日本和欧美各国对新型功能材料的研究十分注意，这是因为功能材料是能源、计算机、通讯、电子、激光等现代科学的基础，功能材料在未来的社会发展中具有重大战略意义。

*8日本和欧美各国对新型功能材料的研究十分注意，这是因为*9近10年来，功能材料成为材料科学和工程领域中最为活跃的部分。每年以5％以上的速度增长，相当于每年有1.25万种新材料问世。未来世界需要更多的性能优异的功能材料，功能材料正在渗透到现代生活的各个领域。*9近10年来，功能材料成为材料科学和工程领*10一、功能材料概况材料结构材料（structuralmaterials)功能材料(functionalmaterials)按性质和实际应用

功能材料发展和分类*10一、功能材料概况材料结构材料功能材料按性质和实际应用结构材料

利用某些材料具有抵抗外力的作用而保持自己形状和结构不变的优良力学性能（例如强度和韧性）来制造工具、机械、车辆以及修建房屋、桥梁、铁路等，这些材料统称为结构材料。*11结构材料*11功能材料这类材料相对于通常的结构材料而言，一般除了具有机械特性外，还具有其他的功能特性。功能材料是指通过光、电、磁、热、化学、生化等作用后具有特定功能的材料。在国外，常将这类材料称为功能材料(FunctionalMaterials)、特种材料(SpecialityMaterials))或精细材料(FineMaterials)。*12功能材料*12（1）功能材料的功能对应于材料的微观结构和微观物体的运动，这是最本质的特征。（2）功能材料的凝聚态和形态非常多样化，除了晶态外，还有气态、液态、液晶态、非晶态、准晶态、混合态和等离子体态等。除了三维体相材料外，还有二维、一维和零维材料。（3）结构材料常以材料形式为最终产品，而功能材料有相当一部分是以元器件形式为最终产品，集材料元件一体化。*13二、功能材料的特点与发展（1）功能材料的功能对应于材料的微观结构和微观物体的运动，这（4）功能材料是利用现代化的技术，多学科交叉的知识密集型产物。（5）功能材料的制备技术不同于结构材料的传统技术，而是采用许多先进的新工艺和新技术，如急冷、超净、超微、超纯、薄膜化、集成化、微型化、密集化、智能化以及精细控制和检测技术。*14（4）功能材料是利用现代化的技术，多学科交叉的知识密集型产物20世纪60年代：微电子工业促进了半导体材料的迅速发展。70年代：“能源危机”促使各国开发新能源和研制储能材料。激光技术的出现，促进了光学材料、光电子材料的发展。80年代：以高技术为中心的新技术革命，在欧美和日本等国兴起，并迅速波动世界各国。新技术革命的主要标志：新型材料、信息技术、生物工程技术。*15发展20世纪60年代：微电子工业促进了半导体材料的迅速发展。*11.根据材料的物质性进行分类（1）金属功能材料（2）无机非金属材料（3）复合功能材料（4）有机功能材料*16三、功能材料分类1.根据材料的物质性进行分类*16三、功能材料分类a.磁性合金b.电性合金：超导材料c.形状记忆合金:合金在低温下被施加应力产生变形，应力去除后形变保留，但加热会逐渐消除形变，并回复原来形状。*17（1）金属功能材料反磁性材料：在磁场中不被吸引顺磁性材料：在磁场中被微弱吸引铁磁性材料：在磁场中个被强烈吸引a.磁性合金*17（1）金属功能材料反磁性材料：在磁场中不被d.医用金属材料*18d.医用金属材料*18*19（2）无机非金属材料无机非金属材料

传统非金属材料(硅酸盐材料)新型非金属材料

*19（2）无机非金属材料无机非金属材料传统非金属材料(硅*20*20*21*21*22*22*23*23*24*24*25古埃及玻璃制品战国中晚期玻璃璧*25古埃及玻璃制品战国中晚期玻璃璧*26*26*27玻璃仪器钢化玻璃*27玻璃仪器钢化玻璃几种常见玻璃简介普通玻璃因混有铁的化合物显浅绿色蓝玻璃红玻璃化学仪器玻璃如试管等光学仪器玻璃如放大镜钢化玻璃光纤玻璃光导纤维：1964年8月华裔科学家高锟首先提出用玻璃纤维代替金属导线，被誉为“纤维光学之父”。比头发丝还细的一对光导纤维上同时传送3万门电话且中继距离长达20——50Km，保密性能好。

在原料里加入某些金属氧化物均匀地分散到玻璃态物质里，使玻璃呈现出特征颜色。

把普通玻璃放在电炉里加热，使它软化，然后急速冷却，得到钢化玻璃。其机械强度比普通玻璃大4——6倍，不易破碎。*28几种常见玻璃简介普通玻璃因混有铁的化合物显浅绿色蓝玻璃红玻璃c、陶瓷

1）主要原料：2）优点：3）用途：粘土*29c、陶瓷1）主要原料：粘土*29景德镇传统名瓷之一的薄胎瓷*30景德镇传统名瓷之一的薄胎瓷*30景德镇传统名瓷之一的雕塑瓷景德镇传统名瓷之一的粉彩瓷*31景德镇传统名瓷之一的雕塑瓷景德镇传统名瓷之一的粉彩瓷*31陶瓷坩埚陶瓷电子部件*32陶瓷坩埚陶瓷电子部件*32特性：1）能承受高温，强度高2）具有电学特性3）具有光学特性4）具有生物功能新型无机非金属材料*33特性：新型无机非金属材料*33典型的新型无机非金属材料高温结构陶瓷光导纤维（光纤）*34典型的新型无机非金属材料高温结构陶瓷光导纤维*34耐高温、耐氧化、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小高温结构陶瓷的特点：*35耐高温、耐氧化、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小高温结构陶透明、耐高温高压钠灯灯管

a.氧化铝陶瓷(人造刚玉)*36透明、耐高温高压钠灯灯管

a.氧化铝陶瓷(人造刚玉)*36高温炉管*37高温炉管*37人造心瓣膜人造骨人造牙人造髋关节*38人造心瓣膜人造骨人造牙人造髋关节*38氮化硅陶瓷发动机b.氮化硅陶瓷*39氮化硅陶瓷发动机b.氮化硅陶瓷*39*40*40陶瓷柴油机*41陶瓷柴油机*41航天飞机的机头温度>2760°C，通常采用SiC、Si3N4复合材料航空飞机各部分耐温图

*42航天飞机的机头温度>2760°C，通常采用SiC、Si3N

简称“光纤”，又称“导光纤维”“光学纤维”，是一种利用光的全反射作用来传导光线的透明度极高的玻璃细丝。如果将许多根经过技术处理的光纤绕在一起，就得到我们常说的光缆。光导纤维*43简称“光纤”，又称“导光纤维”“光学纤维光导纤维*44光导纤维*44光缆*45光缆*45光纤光缆

普通电缆信息量大,每根光纤理论上可同时通过10亿路电话8管同轴电缆每条通话1800路原料来源广(石英玻璃),节约有色金属资源较少质量小,每公里27g,不怕腐蚀,铺设方便每公里1.6t成本低,每公里1万元左右每公里20万元性能好,抗电磁干扰保密性强,能防窃听,不发生电辐射光缆较普通电缆有何有哪些优点呢？

46光纤光缆普通电缆信息量大,每根光纤理论上可同*独特光学设计比最好的卤素灯系统还要多输出至少30%光强度；

*105°广角投射可减少扭动照明器次数；

*微小型的照明器，最少干扰手术视野，真正视觉线

——光线同轴照明；

*高度聚焦的点光源提供极其明亮的深部和细节照明。

医疗光导纤维手术头灯*47*独特光学设计比最好的卤素灯系统还要多输出至少30%光强度内窥镜*48内窥镜*4849用途复合结构材料复合功能材料（3）复合功能材料

以其力学性能如强度、刚度、形变等特性为工程所应用，主要用于结构承力或维持结构外形。

以其声、光、电、热、磁等物理特性为工程所应用，用于如绝热、透波、耐腐蚀、耐磨、减振或热变形等热、声、光、电、磁的功能要求。*49用途复合结构材料复合功能材料（3）复合功能材料50功能复合材料组成与特点组成基体材料(连续相)功能体(分散相)粘结、保护纤维作用，某些情况下也起功能作用。

复合材料的功能特性主要由功能体贡献，加入不同特性的功能体可得到特性各异的功能复合材料。*50功能复合材料组成与特点组成基体材料(连续相)功能体(分散51

单一功能复合材料中其功能性质虽然由功能体提供，但基体不仅起到粘结和赋形作用，同时也会对复合材料整体的物理性能有影响。多元功能体的复合材料可以具有多种功能，同时还有可能由于产生复合效应而出现新的功能。*51单一功能复合材料中其功能性质虽然由功能体提52(1)应用面宽。根据需要可设计与制备出不同功能的复合材料，以满足现代科学技术发展的需求。(2)研制周期短。一种结构材料从研究到应用，一般需要10-15

年左石，甚至更长，而功能复合材料的研制周期要短得多。(3)附加值高。单位质量的价格与利润远远高于结构复合材料(4)小批量，多品种。功能复合材料很少有大批量，但品种需求多。(5)适于特殊用途。在不少场合，功能复合材料有着其他材料无法比拟的使用特性。功能复合材料特点*52(1)应用面宽。根据需要可设计与制备出不同功能的复合*53（4）有机复合材料*53（4）有机复合材料（1）电学功能材料（2）磁学功能材料（3）光学功能材料（4）声学功能材料（5）力学功能材料（6）热学功能材料（7）化学功能材料（8）生物医学功能材料（9）核功能材料*542.根据材料的功能性进行分类非线性光学材料发光材料红外光学材料感光材料激光材料光电功能材料声光功能材料磁光材料光记录材料（1）电学功能材料*542.根据材料的功能性进行分类非线性光（1）信息材料（2）电子材料（3）电工材料（4）电讯材料（5）计算机材料（6）传感材料（7）仪器仪表材料（8）能源材料（9）航空航天材料（10）生物医用材料*553.根据材料的应用性进行分类（1）信息材料*553.根据材料的应用性进行分类新型功能材料是指新近发展起来和正在发展中的具有优异性能和特殊功能，对科学技术尤其是对高技术的发展及新产业额形成具有决定意义的新材料。*56新型功能材料*561.光电子信息材料2.功能陶瓷材料3.生物医用材料4.能源材料5.生态环境材料6.智能材料*57医用金属和合金医用生物陶瓷医用高分子材料医用复合生物材料1.光电子信息材料*57医用金属和合金医用生物陶瓷医用高分子一.大力发展新材料1.加快发展电子信息材料2.注重发展高性能的结构材料3.努力发展新能源材料和节能材料二.加强科技创新能力三.加速新材料研究成果向现实生产力的转化四.加强国际交流和合作*58第二节加快发展高技术新材料的建议一.大力发展新材料*58第二节加快发展高技术新材料的建议*59第二章储氢材料*59第二章储氢材料化石能源的有限性与人类需求的无限性－石油、煤炭等主要能源将在未来数十年至数百年内枯竭！！！化石能源的使用正在给地球造成巨大的生态灾难－温室效应、酸雨等严重威胁地球动植物的生存！！！人类的出路何在？－新能源研究势在必行！！！*60能源危机与环境问题化石能源的有限性与人类需求的无限性－石油、煤炭等主要能源将在

氢—

二十一世纪的绿色能源*61氢—*61氢能热值高，如燃烧1kg氢可发热1.4×105kJ，相当于3kg汽油或4.5kg焦炭的发热量；资源丰富，地球表面有丰富的水资源，水中含氢量达到11.1％；资源无穷无尽－不存在枯竭问题干净、清洁，燃烧后生成水，不产生二次污染；应用范围广，适应性强，可作为燃料电池发电，也可用于氢能汽车、化学热泵等。氢能的利用途径多－燃烧放热或电化学发电氢的储运方式多－气体、液体、固体或化合物*62氢能热值高，如燃烧1kg氢可发热1.4×105kJ，相当于3氢能的开发利用已成为世界特别关注的科技领域。*63氢能的开发利用已成为世界特别关注的科技领域。*63储氢材料*64储氢*64氢能利用关键是高密度安全储存和运输技术。氢密度很小，单位重量体积很大。目前市售氢气一般是在150个大气压下储存在钢瓶内，氢气重量不到钢瓶重量的1/100，且有爆炸危险，很不方便。氢能的存储是氢能利用的前提，进入20世纪90年代以来，许多国家对储氢技术的研究极为重视。美国能源部在全部氢能研究经费中，50%用于氢能存储。日本已将储氢材料的开发和利用技术列入1993~2020年的“新阳光计划”。其中氢能发电技术（高效分解水技术、储氢技术、氢燃料电池发电技术）一次投资就达30亿美元。*65氢能利用关键是高密度安全储存和运输技术。*65*66德国对氢能开发和储氢技术的研究极为重视。

我国科学技术部也将储氢材料及应用工程技术的研究开发列入“九五”规划，浙江大学、南开大学、石油大学、有色金属研究总院等科研院所在储氢材料及应用技术方面进行了大量的研究工作，取得了大批可喜的成果。*66德国对氢能开发和储氢技术的研究极为重视。

我国科学技根据存储氢气的状态分：1.气态储氢：能量密度低不太安全2.液化储氢：能耗高对储罐绝热性能要求高*67根据存储氢气的状态分：1.气态储氢：*673.固态储氢（用储氢材料储氢）优势：体积储氢容量高无需高压及隔热容器安全性好，无爆炸危险可得到高纯氢，提高氢的附加值*683.固态储氢*68*69根据物理化学原理，目前所采用的储氢方法可分为：物理法：储氢物质与氢分子之间只有纯粹的物理作用或物理吸附。（活性炭法、高压压缩储氢、深冷液化储氢等）化学法：储氢物质和氢分子之间发生化学反应，生成新的合成物，具有吸收或释放氢的特性。无机化合物储氢、有机液体氢化物储氢、合金化合物储氢等）*69根据物理化学原理，目前所采用的储氢方法可分为：物理法：为解决氢的储存和运输问题，人们研发了相应的储氢材料，主要介绍活性炭、无机化合物、有机化合物以及合金化合物等储氢材料。*70常用高压氢气瓶为解决氢的储存和运输问题，人们研发了相应的储氢材料，主要介绍活性炭比表面积可达2000m2/g以上，低温加压可吸附储氢。活性炭原料易得，吸附储氢和放氢操作都比较简单。*71活性炭储氢活性炭比表面积可达2000m2/g以上，低温加压可吸附储氢。1985年，美国科学家克劳特和斯莫利等用激光束去轰击石墨表面，发现了C60。C60的外形像足球，中心是空的，外边围砌着60个碳原子，它们组成了12个五边形和20个正六边形。碳60有一个别名：巴基球。一个巴基球的直径是0.7纳米。巴基球可以做得更大，再增加10个碳原子，还可以做成碳70。如果用9×60个碳原子制成碳540，有可能在室温条件下实现超导！*72碳60和巴基球1985年，美国科学家克劳特和斯莫利等用激光束去轰击石墨表面碳纳米管是由石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状“纤维“，内部是空的，外部直径只有几到几十纳米。其比重为钢的六分之一，强度是钢的100倍。碳纳米管是极好的储氢材料，在未来的以氢为动力的汽车上将得到应用。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。*73碳纳米管碳纳米管是由石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状“纤维“，富勒烯(C60)和碳纳米管(CNT)对氢气具有较强的吸附作用。单层碳纳米管的吸氢量比活性炭高，H2的吸附量可达5％-10％(质量分数)，有望成为新一代储氢材料。*74富勒烯C60碳纳迷管富勒烯(C60)和碳纳米管(CNT)对氢气具有较强的吸附作用*75纳米碳管电化学储氢*75纳米碳管电化学储氢

*76碳纳米管电化学储氢小结

纯化处理后多壁纳米碳管最大放电容量为

1157mAh/g，相当于4.1％重量储氢容量。经过100次充放电后，其仍保持最大容量的70％。单壁纳米碳管最大放电容量为503mAh/g，相当于1.84％重量储氢容量。经过100次充放电后，其仍保持最大容量的80％。

*76碳纳米管电化学储氢小结

世界范围内所测储氢量相差太大：0.01(wt)%—67(wt)%,如何准确测定？储氢机理如何？*77纳米材料储氢存在的问题：世界范围内所测储氢量相差太大：0.01(wt)%—67(w某些无机化合物和氢气发生化学反应可储氢，然后在一定条件下分解可放氢。利用碳酸氢盐与甲酸盐之间相互转化，吸氢和放氢反应为：以活性炭作载体，在Pd或PdO的催化作用下，以KHCO3或NaHCO3作为储氢剂，储氢量约为2％(质量分数)。该法优点是原料易得、储存方便、安全性好，但储氢量比较小，催化剂价格较贵。*78无机化合物储氢释氢，70℃，0.1MPa吸氢，35℃，2.0MPa某些无机化合物和氢气发生化学反应可储氢，然后在一定条件下分解借助储氢载体(如苯和甲苯等)与H2的可逆反应来实现，包括催化加氢反应和催化脱氢反应。该法储氢量大，环己烷和甲基环己烷的理论储氢量分别为7.19％和6.18％(质量分数)，比高压储氢和金属氢化物储氢的实际量都大。储氢载体苯和甲苯可循环使用，其储存和运输都很安全方便。催化加氢和催化脱氢装置和投资费用较大，储氢操作比较复杂。*79有机液体氢化物储氢其中R=H、CH4H2，供用户使用H2，制氢工厂储存、运输储存、运输催化脱氢催化加氢借助储氢载体(如苯和甲苯等)与H2的可逆反应来实现，包括催化在一定温度和氢气压力下能多次吸收、储存和释放氢气的合金被称为储氢合金。氢于许多金属、合金或金属间化合物反应生成金属氢化物，并释放出热量；金属氢化物受热时，又释放出氢气，用反应式表示为：M:金属、合金、或金属间化合物ΔH：反应热P1、T1：吸氢是体系需要的压强和温度P2、T2：释放氢时体系需要的压强和温度*80合金化合物储氢在一定温度和氢气压力下能多次吸收、储存和释放氢气的合金被称为氢原子容易进入金属晶格的四面体或八面体间隙，形成金属氢化物，如TiH2、ZrH1.9、PrH2.8、Ti1.4CoH、LaNi5H、MmNi4.5H6.6等。*81ab氢原子在合金化合物中的占位：(a)四面体；(b)八面体氢原子容易进入金属晶格的四面体或八面体间隙，形成金属氢化物，实验表明，单独使用一种金属形成的氢化物生成热较大，氢的离解压低，储氢不理想。实用的储氢材料是由氢化物生成热金属和生成热为负的放热性金属组成多元金属间化合物，其中有的过渡金属元素对氢化反应时氢分子分解为氢原子的过程起着重要的催化作用。*82实验表明，单独使用一种金属形成的氢化物生成热较大，氢的离解压储氢合金可储存比其体积大1000-1300倍的氢，而且合金中存储的氢表现为H与H+之间的中间特性，结合力较弱，当合金氢化物受热时又可释放氢气。*83储氢合金的储氢量比较储氢合金可储存比其体积大1000-1300倍的氢，而且合金中储氢合金材料达到实用目的，必须满足下列要求：储氢量大，能量密度高；吸氢和放氢速度快；氢化物生成热小；分解压适中：容易活化；化学稳定性好；在储运中安全、无害；原料来源广、成本价廉。*84四川大学材料学院储氢材料课题组首创低成本V-Ti-Cr-Fe四元合金体系：在温和条件下可快速吸氢饱和:40℃，<6min储氢合金材料达到实用目的，必须满足下列要求：*84四川大学材储氢合金材料主要有：稀土系列、镁镍系列、钛合金系列等。大多数金属氢化物储氢量在1％-4％(质量分数)、能量密度高，所需费用明显低于深冷液化储气和高压储氢，原料易得，安全可靠。储氢合金已成为各国都积极研发的一种很有前途的储氢方法。*85我国生产的稀土储氢合金储氢合金材料主要有：稀土系列、镁镍系列、钛合金系列等。*85LaNi5是稀土系储氢合金的典型代表，由荷兰Philip实验室于1969年首先研制。LaNi5在室温下可与一定压力的氢气反应形成氢化物，如下式所示：LaNi5具有优良的储氢性能，块状LaNi5合金储氢量约1.4％(质量分数)，分解压适中平坦，活化容易，具有良好的动力学特性和抗杂质气体中毒性。*86稀土系储氢合金

LaNi5是稀土系储氢合金的典型代表，由荷兰Philip实验LaNi5成本高，大规模应用受限，因此发展置换La和Ni的多元合金：LaNi5-xMx(M＝Al、Mn、Cr、Fe、Co、Cu等)和R0.2La0.8Ni5(R＝Y、Gd、Nd、Th等)。用富Ce混合稀土(Mm)代替La可研制廉价的MmNi5储氢合金，在MmNi5基础上开发多元合金，如MmNi1-yBy(B=Al、Cu、Fe、Mn、Ga、Sn、Cr等)系列，不仅保持LaNi5的优良特性，而且在储氢量和动力学特性方面优于LaNi5，价格仅为纯La的1/5。*87LaNi5成本高，大规模应用受限，因此发展置换La和Ni的多*882009年，西博会上展出的川大宝生实业公司生产的稀土储氢合金电池*882009年，西博会上展出的川大宝生实业公司生产的稀土储TiFe具有优良储氢特性，吸氢量约1.75％(质量分数)，室温下释氢压力约为0.1MPa。价格较低，具有很大实用价值。TiFe活化困难，须在450℃和5MPa压力下进行活化；抗毒性弱(特别是O2)，反复吸释氢后性能下降。为改善TiFe合金储氢特性，可用过渡元素(M)置换部分铁形成TiFe1-yMy(M=Cr、Mn、Mo、Co、Ni等)。TiFe0.8Mn0.2可在室温3MPa氢压下活化，生成TiFe0.8Mn0.2H1.05氢化物，储氢量达到1.9wt％。*89钛系储氢合金TiFe具有优良储氢特性，吸氢量约1.75％(质量分数)，室资源丰富，价格低室温下可逆储放氢易被氧化活化困难抗杂质气体中毒能力差实际使用时需对合金进行表面改性处理*90资源丰富，价格低*90*91镁系储氢合金在300-400℃和较高氢压下，Mg2Ni与氢生成Mg2NiH4，含氢量为3.65wt％，理论储氢量可达6%，但其稳定性强，释氢困难。用Ca和A1取代部分Mg形成Mg2-xMxNi，氢比物离解速度比Mg2Ni增大40％以上，活化容易，具有良好的储氢性能，性质稳定。利用过渡元素(M)置换Mg2Ni中的部分Ni，形成Mg2Ni1-xMx合金(M＝V、Cr、Mn、Fe、Zn等)，也可改善吸/释氢的速度，具有实用价值。*91镁系储氢合金在300-400℃和较高氢压下，Mg2Ni储氢容量高密度小资源丰富价格低廉放氢温度高（250－300℃）放氢动力学性能较差*92储氢容量高*92氢储存是储氢合金最基本的应用。金属氢化物储氢密度高，采用Mg2Ni制成的储氢容器与高压(20MPa)钢瓶和深冷液化储氢装置相比，在储氢量相等的情况下，三者质量比为1：1.4：1.2，体积比为1：4：1.3；储氢合金储氢无需高压或低温设施，节省能源；氢以金属氢化物形式存在储氢合金中，安全可靠，便于氢的运输和传递。*93储氢合金的应用氢储存是储氢合金最基本的应用。*93储氢合金的应用*94体积比较（储４kg的氢）储氢合金储氢量与其他储氢方法储氢量的比较*94体积比较（储４kg的氢）储氢合金储氢量与其他储氢方法储储氢合金可分离氢气。混合气体流过储氢合金分离床，氢被吸收形成金属氢化物，杂质排出；加热金属氢化物，得到回收氢气。反复提纯可获得高纯氢气，每年大量含氢尾气放空(仅合成氨工业全国每年放空尾气数十亿m3，含有50％-60%的氢气)，回收利用可提供大量廉价氢气，得到巨大的能源补充。*95氢气纯化装置氢气纯化工厂储氢合金可分离氢气。混合气体流过储氢合金分离床，氢被吸收形成某些储氢合金的氢化物同氘、氚化物相比，同一温度下吸释氘氚的热力学和动力学特性有较大差别，可用于氢同位素的分离。TiNi合金吸收D2的速率为H2的1/10，将含7%D2的H2导入到TiNi合金中，每通过一次可使D2浓缩50%，通过多次压缩和吸收，氘的浓度可迅速提高，同时回收大量高纯H2。*96氢同位素的应用某些储氢合金的氢化物同氘、氚化物相比，同一温度下吸释氘氚的热金属氢化物也是理想的能量转换材料。氢化物热泵：以氢气为工作介质，储氢合金为能量转换材料，相同温度下分解压不同的两种氢化物组成热力学循环系统，以它们的平衡压差驱动氢气流动，使两种氢化物分别处于吸氢(放热)和放氢(吸热)状态，达到升温、增热或制冷目的。德国用LaNi5/Ti0.9Zr0.1CrMn合金获得-25℃低温；日本用MmNiMnAl/MmNiMnCo制备制冷系统，连续获得-20℃低温，制冷功率为900-1000W。*97金属氢化物也是理想的能量转换材料。*97储氢合金电极替代NiCd电池中的Cd负极，组成镍-氢化物电池，不但具有高能量密度，而且耐过充，放电能力强，无重金属Cd对人体和环境的危害。*98储氢合金在镍氢电池上的应用储氢合金电极替代NiCd电池中的Cd负极，组成镍-氢化物电池1966年，Pebler首先将二元锆基Laves相合金用于储氢的研究，发现其储氢容量达到1.8～2.4wt％。具有Laves相结构的金属间化合物原子间隙由四面体构成，间隙多，有利于氢原子的吸附TiMn1.5H2.5日本松下（1.8％）Ti0.90Zr0.1Mn1.4V0.2Cr0.4活性好用于：氢汽车储氢、电池负极

*99钛/锆系(AB2)1966年，Pebler首先将二元锆基Laves相合金用于储以ZrMn2、TiMn2为代表的AB2型储氢合金具有Laves相结构，所涉及的有六方结构的C14型Laves相和立方结构的C15型Laves相两种。此类合金的储氢量大，放电容量比AB5型的稀土系合金电极高30～40％，在碱性解液中形成的致密氧化膜能有效抑制电极成分的进一步氧化，稳定性好，循环寿命长。*100以ZrMn2、TiMn2为代表的AB2型储氢合金具有LaveAB2型Laves相储氢电极合金至今仍存在初期活化困难、无明显放电平台、高倍率放电性能极差等缺点，且成本较高，使其综合性能不能达到大规模应用的要求。尽管AB2型储氢合金存在以上问题，但其储氢容量高和循环寿命长，被列为下一代高容量Ni／MH电池的首选材料。*101AB2型Laves相储氢电极合金至今仍存在初期活化困难、无明此合金由C14型Laves相和V基固溶体共同组成主相，同时存在少量TiNi相，在C14型Laves相和TiNi相的共同催化作用下，可使V基固溶体相具有良好的电化学吸/放氢性能。V及V基固溶体合金(V-Ti和V-Ti—Cr等)吸氢时可生成VH及VH2两种氢化物，其中VH2的储氢量高达3.8wt％，电化学放电容量为1018mAh／g，约为LaNi5型储氢合金的2.9倍。V基固溶体型合金具有储氢量大，氢在合金中扩散速度快等优点，但其成本高、破碎困难、平台不明显、寿命短，而且本身在碱液中缺乏电催化活性而小具备可逆的电化学容量。*102V基固溶体型储氢合金此合金由C14型Laves相和V基固溶体共同组成主相，同时存NaAlH4为代表的金属配位氢化物和以(LiNH2/LiH)为代表的化学氢化物成为新型储氢材料的研究热点。碱金属（Li、Na、K）或碱土金属（Mg、Ca）和第三主族元素(B、Al)可与氢形成配位氢化物，与金属氢化物之间的主要区别在于吸氢过程中向离子或共价化合物的转变。主要有：NaAlH4，NaBH4，LiAlH4，LiBH4，Mg(AlH4)2等。储氢容量高：LiBH4理论储氢18.51%

，NaAlH4,7.41%,NaBH4,11.66%。再氢化难(LiAlH4在TiCl3、TiCl4等催化下180℃，8MPa氢压下获得5％的可逆储放氢容量)*103

配位氢化物储氢NaAlH4为代表的金属配位氢化物和以(LiNH2/LiH)*104

NaAlH4

加热分解，其反应式为：*104NaAlH4加热分解，其反应式为：金属配位氢化物的主要性能*105℃金属配位氢化物的主要性能*105℃氢能作为最清洁的可再生能源，近10多年来发达国家高度重视，中国近年来也投入巨资进行相关技术开发研究氢能汽车在发达国家已示范运行，中国也正在筹划引进氢能汽车商业化的障碍是成本高，高在氢气的储存液氢和高压气氢不是商业化氢能汽车－安全性和成本大多数储氢合金自重大，寿命也是个问题；自重低的镁基合金很难常温储放氢、配位氢化物的可逆储放氢等需进一步开发研究,碳材料吸附储氢受到重视，但基础研究不够，能否实用化还是个问号氢能之路－前途光明，道路曲折！*106四、结束语－氢能离我们还有多远？氢能作为最清洁的可再生能源，近10多年来发达国家高度重视，中*107谢谢大家！*107谢谢大家！*108*1“863”计划：把新型材料定为我国高新技术规划的7个主要研究领域之一“973计划”：进一步把功能材料技术作为重点的研究项目。*109“863”计划：把新型材料定为我国高新技术规划的7个主要研究本章介绍目前国内外迅速发展的各种新型功能材料的组成、结构、性能、制备和应用，着重论述反映当代功能材料科学发展的主要前沿领域。如：智能材料、形状记忆材料、梯度功能材料、储氢材料、功能陶瓷材料、超导材料、磁性材料、信息材料、光学功能材料、功能复合材料、生物医用材料等。*110本章介绍目前国内外迅速发展的各种新型功能材料的组*111第一节功能材料概论*4第一节功能材料概论主要内容功能材料发展和分类加快发展高技术新材料的建议*112主要内容*5*113*6*114功能材料就是在这一前提下发展起来的。而新型功能材料是指新近发展起来和正在发展中的具有优异性能和特殊功能，对科学技术尤其是对高技术的发展及新产业的形成具有决定意义的新材料。*7功能材料就是在这一前提下发展起来的。而新型功能材料是指新*115日本和欧美各国对新型功能材料的研究十分注意，这是因为功能材料是能源、计算机、通讯、电子、激光等现代科学的基础，功能材料在未来的社会发展中具有重大战略意义。

*8日本和欧美各国对新型功能材料的研究十分注意，这是因为*116近10年来，功能材料成为材料科学和工程领域中最为活跃的部分。每年以5％以上的速度增长，相当于每年有1.25万种新材料问世。未来世界需要更多的性能优异的功能材料，功能材料正在渗透到现代生活的各个领域。*9近10年来，功能材料成为材料科学和工程领*117一、功能材料概况材料结构材料（structuralmaterials)功能材料(functionalmaterials)按性质和实际应用

功能材料发展和分类*10一、功能材料概况材料结构材料功能材料按性质和实际应用结构材料

利用某些材料具有抵抗外力的作用而保持自己形状和结构不变的优良力学性能（例如强度和韧性）来制造工具、机械、车辆以及修建房屋、桥梁、铁路等，这些材料统称为结构材料。*118结构材料*11功能材料这类材料相对于通常的结构材料而言，一般除了具有机械特性外，还具有其他的功能特性。功能材料是指通过光、电、磁、热、化学、生化等作用后具有特定功能的材料。在国外，常将这类材料称为功能材料(FunctionalMaterials)、特种材料(SpecialityMaterials))或精细材料(FineMaterials)。*119功能材料*12（1）功能材料的功能对应于材料的微观结构和微观物体的运动，这是最本质的特征。（2）功能材料的凝聚态和形态非常多样化，除了晶态外，还有气态、液态、液晶态、非晶态、准晶态、混合态和等离子体态等。除了三维体相材料外，还有二维、一维和零维材料。（3）结构材料常以材料形式为最终产品，而功能材料有相当一部分是以元器件形式为最终产品，集材料元件一体化。*120二、功能材料的特点与发展（1）功能材料的功能对应于材料的微观结构和微观物体的运动，这（4）功能材料是利用现代化的技术，多学科交叉的知识密集型产物。（5）功能材料的制备技术不同于结构材料的传统技术，而是采用许多先进的新工艺和新技术，如急冷、超净、超微、超纯、薄膜化、集成化、微型化、密集化、智能化以及精细控制和检测技术。*121（4）功能材料是利用现代化的技术，多学科交叉的知识密集型产物20世纪60年代：微电子工业促进了半导体材料的迅速发展。70年代：“能源危机”促使各国开发新能源和研制储能材料。激光技术的出现，促进了光学材料、光电子材料的发展。80年代：以高技术为中心的新技术革命，在欧美和日本等国兴起，并迅速波动世界各国。新技术革命的主要标志：新型材料、信息技术、生物工程技术。*122发展20世纪60年代：微电子工业促进了半导体材料的迅速发展。*11.根据材料的物质性进行分类（1）金属功能材料（2）无机非金属材料（3）复合功能材料（4）有机功能材料*123三、功能材料分类1.根据材料的物质性进行分类*16三、功能材料分类a.磁性合金b.电性合金：超导材料c.形状记忆合金:合金在低温下被施加应力产生变形，应力去除后形变保留，但加热会逐渐消除形变，并回复原来形状。*124（1）金属功能材料反磁性材料：在磁场中不被吸引顺磁性材料：在磁场中被微弱吸引铁磁性材料：在磁场中个被强烈吸引a.磁性合金*17（1）金属功能材料反磁性材料：在磁场中不被d.医用金属材料*125d.医用金属材料*18*126（2）无机非金属材料无机非金属材料

传统非金属材料(硅酸盐材料)新型非金属材料

*19（2）无机非金属材料无机非金属材料传统非金属材料(硅*127*20*128*21*129*22*130*23*131*24*132古埃及玻璃制品战国中晚期玻璃璧*25古埃及玻璃制品战国中晚期玻璃璧*133*26*134玻璃仪器钢化玻璃*27玻璃仪器钢化玻璃几种常见玻璃简介普通玻璃因混有铁的化合物显浅绿色蓝玻璃红玻璃化学仪器玻璃如试管等光学仪器玻璃如放大镜钢化玻璃光纤玻璃光导纤维：1964年8月华裔科学家高锟首先提出用玻璃纤维代替金属导线，被誉为“纤维光学之父”。比头发丝还细的一对光导纤维上同时传送3万门电话且中继距离长达20——50Km，保密性能好。

在原料里加入某些金属氧化物均匀地分散到玻璃态物质里，使玻璃呈现出特征颜色。

把普通玻璃放在电炉里加热，使它软化，然后急速冷却，得到钢化玻璃。其机械强度比普通玻璃大4——6倍，不易破碎。*135几种常见玻璃简介普通玻璃因混有铁的化合物显浅绿色蓝玻璃红玻璃c、陶瓷

1）主要原料：2）优点：3）用途：粘土*136c、陶瓷1）主要原料：粘土*29景德镇传统名瓷之一的薄胎瓷*137景德镇传统名瓷之一的薄胎瓷*30景德镇传统名瓷之一的雕塑瓷景德镇传统名瓷之一的粉彩瓷*138景德镇传统名瓷之一的雕塑瓷景德镇传统名瓷之一的粉彩瓷*31陶瓷坩埚陶瓷电子部件*139陶瓷坩埚陶瓷电子部件*32特性：1）能承受高温，强度高2）具有电学特性3）具有光学特性4）具有生物功能新型无机非金属材料*140特性：新型无机非金属材料*33典型的新型无机非金属材料高温结构陶瓷光导纤维（光纤）*141典型的新型无机非金属材料高温结构陶瓷光导纤维*34耐高温、耐氧化、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小高温结构陶瓷的特点：*142耐高温、耐氧化、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小高温结构陶透明、耐高温高压钠灯灯管

a.氧化铝陶瓷(人造刚玉)*143透明、耐高温高压钠灯灯管

a.氧化铝陶瓷(人造刚玉)*36高温炉管*144高温炉管*37人造心瓣膜人造骨人造牙人造髋关节*145人造心瓣膜人造骨人造牙人造髋关节*38氮化硅陶瓷发动机b.氮化硅陶瓷*146氮化硅陶瓷发动机b.氮化硅陶瓷*39*147*40陶瓷柴油机*148陶瓷柴油机*41航天飞机的机头温度>2760°C，通常采用SiC、Si3N4复合材料航空飞机各部分耐温图

*149航天飞机的机头温度>2760°C，通常采用SiC、Si3N

简称“光纤”，又称“导光纤维”“光学纤维”，是一种利用光的全反射作用来传导光线的透明度极高的玻璃细丝。如果将许多根经过技术处理的光纤绕在一起，就得到我们常说的光缆。光导纤维*150简称“光纤”，又称“导光纤维”“光学纤维光导纤维*151光导纤维*44光缆*152光缆*45光纤光缆

普通电缆信息量大,每根光纤理论上可同时通过10亿路电话8管同轴电缆每条通话1800路原料来源广(石英玻璃),节约有色金属资源较少质量小,每公里27g,不怕腐蚀,铺设方便每公里1.6t成本低,每公里1万元左右每公里20万元性能好,抗电磁干扰保密性强,能防窃听,不发生电辐射光缆较普通电缆有何有哪些优点呢？

153光纤光缆普通电缆信息量大,每根光纤理论上可同*独特光学设计比最好的卤素灯系统还要多输出至少30%光强度；

*105°广角投射可减少扭动照明器次数；

*微小型的照明器，最少干扰手术视野，真正视觉线

——光线同轴照明；

*高度聚焦的点光源提供极其明亮的深部和细节照明。

医疗光导纤维手术头灯*154*独特光学设计比最好的卤素灯系统还要多输出至少30%光强度内窥镜*155内窥镜*48156用途复合结构材料复合功能材料（3）复合功能材料

以其力学性能如强度、刚度、形变等特性为工程所应用，主要用于结构承力或维持结构外形。

以其声、光、电、热、磁等物理特性为工程所应用，用于如绝热、透波、耐腐蚀、耐磨、减振或热变形等热、声、光、电、磁的功能要求。*49用途复合结构材料复合功能材料（3）复合功能材料157功能复合材料组成与特点组成基体材料(连续相)功能体(分散相)粘结、保护纤维作用，某些情况下也起功能作用。

复合材料的功能特性主要由功能体贡献，加入不同特性的功能体可得到特性各异的功能复合材料。*50功能复合材料组成与特点组成基体材料(连续相)功能体(分散158

单一功能复合材料中其功能性质虽然由功能体提供，但基体不仅起到粘结和赋形作用，同时也会对复合材料整体的物理性能有影响。多元功能体的复合材料可以具有多种功能，同时还有可能由于产生复合效应而出现新的功能。*51单一功能复合材料中其功能性质虽然由功能体提159(1)应用面宽。根据需要可设计与制备出不同功能的复合材料，以满足现代科学技术发展的需求。(2)研制周期短。一种结构材料从研究到应用，一般需要10-15

年左石，甚至更长，而功能复合材料的研制周期要短得多。(3)附加值高。单位质量的价格与利润远远高于结构复合材料(4)小批量，多品种。功能复合材料很少有大批量，但品种需求多。(5)适于特殊用途。在不少场合，功能复合材料有着其他材料无法比拟的使用特性。功能复合材料特点*52(1)应用面宽。根据需要可设计与制备出不同功能的复合*160（4）有机复合材料*53（4）有机复合材料（1）电学功能材料（2）磁学功能材料（3）光学功能材料（4）声学功能材料（5）力学功能材料（6）热学功能材料（7）化学功能材料（8）生物医学功能材料（9）核功能材料*1612.根据材料的功能性进行分类非线性光学材料发光材料红外光学材料感光材料激光材料光电功能材料声光功能材料磁光材料光记录材料（1）电学功能材料*542.根据材料的功能性进行分类非线性光（1）信息材料（2）电子材料（3）电工材料（4）电讯材料（5）计算机材料（6）传感材料（7）仪器仪表材料（8）能源材料（9）航空航天材料（10）生物医用材料*1623.根据材料的应用性进行分类（1）信息材料*553.根据材料的应用性进行分类新型功能材料是指新近发展起来和正在发展中的具有优异性能和特殊功能，对科学技术尤其是对高技术的发展及新产业额形成具有决定意义的新材料。*163新型功能材料*561.光电子信息材料2.功能陶瓷材料3.生物医用材料4.能源材料5.生态环境材料6.智能材料*164医用金属和合金医用生物陶瓷医用高分子材料医用复合生物材料1.光电子信息材料*57医用金属和合金医用生物陶瓷医用高分子一.大力发展新材料1.加快发展电子信息材料2.注重发展高性能的结构材料3.努力发展新能源材料和节能材料二.加强科技创新能力三.加速新材料研究成果向现实生产力的转化四.加强国际交流和合作*165第二节加快发展高技术新材料的建议一.大力发展新材料*58第二节加快发展高技术新材料的建议*166第二章储氢材料*59第二章储氢材料化石能源的有限性与人类需求的无限性－石油、煤炭等主要能源将在未来数十年至数百年内枯竭！！！化石能源的使用正在给地球造成巨大的生态灾难－温室效应、酸雨等严重威胁地球动植物的生存！！！人类的出路何在？－新能源研究势在必行！！！*167能源危机与环境问题化石能源的有限性与人类需求的无限性－石油、煤炭等主要能源将在

氢—

二十一世纪的绿色能源*168氢—*61氢能热值高，如燃烧1kg氢可发热1.4×105kJ，相当于3kg汽油或4.5kg焦炭的发热量；资源丰富，地球表面有丰富的水资源，水中含氢量达到11.1％；资源无穷无尽－不存在枯竭问题干净、清洁，燃烧后生成水，不产生二次污染；应用范围广，适应性强，可作为燃料电池发电，也可用于氢能汽车、化学热泵等。氢能的利用途径多－燃烧放热或电化学发电氢的储运方式多－气体、液体、固体或化合物*169氢能热值高，如燃烧1kg氢可发热1.4×105kJ，相当于3氢能的开发利用已成为世界特别关注的科技领域。*170氢能的开发利用已成为世界特别关注的科技领域。*63储氢材料*171储氢*64氢能利用关键是高密度安全储存和运输技术。氢密度很小，单位重量体积很大。目前市售氢气一般是在150个大气压下储存在钢瓶内，氢气重量不到钢瓶重量的1/100，且有爆炸危险，很不方便。氢能的存储是氢能利用的前提，进入20世纪90年代以来，许多国家对储氢技术的研究极为重视。美国能源部在全部氢能研究经费中，50%用于氢能存储。日本已将储氢材料的开发和利用技术列入1993~2020年的“新阳光计划”。其中氢能发电技术（高效分解水技术、储氢技术、氢燃料电池发电技术）一次投资就达30亿美元。*172氢能利用关键是高密度安全储存和运输技术。*65*173德国对氢能开发和储氢技术的研究极为重视。

我国科学技术部也将储氢材料及应用工程技术的研究开发列入“九五”规划，浙江大学、南开大学、石油大学、有色金属研究总院等科研院所在储氢材料及应用技术方面进行了大量的研究工作，取得了大批可喜的成果。*66德国对氢能开发和储氢技术的研究极为重视。

我国科学技根据存储氢气的状态分：1.气态储氢：能量密度低不太安全2.液化储氢：能耗高对储罐绝热性能要求高*174根据存储氢气的状态分：1.气态储氢：*673.固态储氢（用储氢材料储氢）优势：体积储氢容量高无需高压及隔热容器安全性好，无爆炸危险可得到高纯氢，提高氢的附加值*1753.固态储氢*68*176根据物理化学原理，目前所采用的储氢方法可分为：物理法：储氢物质与氢分子之间只有纯粹的物理作用或物理吸附。（活性炭法、高压压缩储氢、深冷液化储氢等）化学法：储氢物质和氢分子之间发生化学反应，生成新的合成物，具有吸收或释放氢的特性。无机化合物储氢、有机液体氢化物储氢、合金化合物储氢等）*69根据物理化学原理，目前所采用的储氢方法可分为：物理法：为解决氢的储存和运输问题，人们研发了相应的储氢材料，主要介绍活性炭、无机化合物、有机化合物以及合金化合物等储氢材料。*177常用高压氢气瓶为解决氢的储存和运输问题，人们研发了相应的储氢材料，主要介绍活性炭比表面积可达2000m2/g以上，低温加压可吸附储氢。活性炭原料易得，吸附储氢和放氢操作都比较简单。*178活性炭储氢活性炭比表面积可达2000m2/g以上，低温加压可吸附储氢。1985年，美国科学家克劳特和斯莫利等用激光束去轰击石墨表面，发现了C60。C60的外形像足球，中心是空的，外边围砌着60个碳原子，它们组成了12个五边形和20个正六边形。碳60有一个别名：巴基球。一个巴基球的直径是0.7纳米。巴基球可以做得更大，再增加10个碳原子，还可以做成碳70。如果用9×60个碳原子制成碳540，有可能在室温条件下实现超导！*179碳60和巴基球1985年，美国科学家克劳特和斯莫利等用激光束去轰击石墨表面碳纳米管是由石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状“纤维“，内部是空的，外部直径只有几到几十纳米。其比重为钢的六分之一，强度是钢的100倍。碳纳米管是极好的储氢材料，在未来的以氢为动力的汽车上将得到应用。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。*180碳纳米管碳纳米管是由石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状“纤维“，富勒烯(C60)和碳纳米管(CNT)对氢气具有较强的吸附作用。单层碳纳米管的吸氢量比活性炭高，H2的吸附量可达5％-10％(质量分数)，有望成为新一代储氢材料。*181富勒烯C60碳纳迷管富勒烯(C60)和碳纳米管(CNT)对氢气具有较强的吸附作用*182纳米碳管电化学储氢*75纳米碳管电化学储氢

*183碳纳米管电化学储氢小结

纯化处理后多壁纳米碳管最大放电容量为

1157mAh/g，相当于4.1％重量储氢容量。经过100次充放电后，其仍保持最大容量的70％。单壁纳米碳管最大放电容量为503mAh/g，相当于1.84％重量储氢容量。经过100次充放电后，其仍保持最大容量的80％。

*76碳纳米管电化学储氢小结

世界范围内所测储氢量相差太大：0.01(wt)%—67(wt)%,如何准确测定？储氢机理如何？*184纳米材料储氢存在的问题：世界范围内所测储氢量相差太大：0.01(wt)%—67(w某些无机化合物和氢气发生化学反应可储氢，然后在一定条件下分解可放氢。利用碳酸氢盐与甲酸盐之间相互转化，吸氢和放氢反应为：以活性炭作载体，在Pd或PdO的催化作用下，以KHCO3或NaHCO3作为储氢剂，储氢量约为2％(质量分数)。该法优点是原料易得、储存方便、安全性好，但储氢量比较小，催化剂价格较贵。*185无机化合物储氢释氢，70℃，0.1MPa吸氢，35℃，2.0MPa某些无机化合物和氢气发生化学反应可储氢，然后在一定条件下分解借助储氢载体(如苯和甲苯等)与H2的可逆反应来实现，包括催化加氢反应和催化脱氢反应。该法储氢量大，环己烷和甲基环己烷的理论储氢量分别为7.19％和6.18％(质量分数)，比高压储氢和金属氢化物储氢的实际量都大。储氢载体苯和甲苯可循环使用，其储存和运输都很安全方便。催化加氢和催化脱氢装置和投资费用较大，储氢操作比较复杂。*186有机液体氢化物储氢其中R=H、CH4H2，供用户使用H2，制氢工厂储存、运输储存、运输催化脱氢催化加氢借助储氢载体(如苯和甲苯等)与H2的可逆反应来实现，包括催化在一定温度和氢气压力下能多次吸收、储存和释放氢气的合金被称为储氢合金。氢于许多金属、合金或金属间化合物反应生成金属氢化物，并释放出热量；金属氢化物受热时，又释放出氢气，用反应式表示为：M:金属、合金、或金属间化合物ΔH：反应热P1、T1：吸氢是体系需要的压强和温度P2、T2：释放氢时体系需要的压强和温度*187合金化合物储氢在一定温度和氢气压力下能多次吸收、储存和释放氢气的合金被称为氢原子容易进入金属晶格的四面体或八面体间隙，形成金属氢化物，如TiH2、ZrH1.9、PrH2.8、Ti1.4CoH、LaNi5H、MmNi4.5H6.6等。*188ab氢原子在合金化合物中的占位：(a)四面体；(b)八面体氢原子容易进入金属晶格的四面体或八面体间隙，形成金属氢化物，实验表明，单独使用一种金属形成的氢化物生成热较大，氢的离解压低，储氢不理想。实用的储氢材料是由氢化物生成热金属和生成热为负的放热性金属组成多元金属间化合物，其中有的过渡金属元素对氢化反应时氢分子分解为氢原子的过程起着重要的催化作用。*189实验表明，单独使用一种金属形成的氢化物生成热较大，氢的离解压储氢合金可储存比其体积大1000-1300倍的氢，而且合金中存储的氢表现为H与H+之间的中间特性，结合力较弱，当合金氢化物受热时又可释放氢气。*190储氢合金的储氢量比较储氢合金可储存比其体积大1000-1300倍的氢，而且合金中储氢合金材料达到实用目的，必须满足下列要求：储氢量大，能量密度高；吸氢和放氢速度快；氢化物生成热小；分解压适中：容易活化；化学稳定性好；在储运中安全、无害；原料来源广、成本价廉。*191四川大学材料学院储氢材料课题组首创低成本V-Ti-Cr-Fe四元合金体系：在温和条件下可快速吸氢饱和:40℃，<6min储氢合金材料达到实用目的，必须满足下列要求：*84四川大学材储氢合金材料主要有：稀土系列、镁镍系列、钛合金系列等。大多数金属氢化物储氢量在1％-4％(质量分数)、能量密度高，所需费用明显低于深冷液化储气和高压储氢，原料易得，安全可靠。储氢合金已成为各国都积极研发的一种很有前途的储氢方法。*192我国生产的稀土储氢合金储氢合金材料主要有：稀土系列、镁镍系列、钛合金系列等。*85LaNi5是稀土系储氢合金的典型代表，由荷兰Philip实验室于1969年首先研制。LaNi5在室温下可与一定压力的氢气反应形成氢化物，如下式所示：LaNi5具有优良的储氢性能，块状LaNi5合金储氢量约1.4％(质量分数)，分解压适中平坦，活化容易，具有良好的动力学特性和抗杂质气体中毒性。*193稀土系储氢合金

LaNi5是稀土系储氢合金的典型代表，由荷兰Philip实验LaNi5成本高，大规模应用受限，因此发展置换La和Ni的多元合金：LaNi5-xMx(M＝Al、Mn、Cr、Fe、Co、Cu等)和R0.2La0.8Ni5(R＝Y、Gd、Nd、Th等)。用富Ce混合稀土(Mm)代替La可研制廉价的MmNi5储氢合金，在MmNi5基础上开发多元合金，如MmNi1-yBy(B=Al、Cu、Fe、Mn、Ga、Sn、Cr等)系列，不仅保持LaNi5的优良特性，而且在储氢量和动力学特性方面优于LaNi5，价格仅为纯La的1/5。*194LaNi5成本高，大规模应用受限，因此发展置换La和Ni的多*1952009年，西博会上展出的川大宝生实业公司生产的稀土储氢合金电池*882009年，西博会上展出的川大宝生实业公司生产的稀土储TiFe具有优良储氢特性，吸氢量约1.75％(质量分数)，室温下释氢压力约为0.1MPa。价格较低，具有很大实用价值。TiFe活化困难，须在450℃和5MPa压力下进行活化；抗毒性弱(特别是O2)，反复吸释氢后性能下降。为改善TiFe合金储氢特性，可用过渡元素(M)置换部分铁形成TiFe1-yMy(M=Cr、Mn、Mo、Co、Ni等)。TiFe0.8Mn0.2可在室温3MPa氢压下活化，生成TiFe0.8Mn0.2H1.05氢化物，储氢量达到1.9wt％。*196钛系储氢合金TiFe具有优良储氢特性，吸氢量约1.75％(质量分数)，室资源丰富，价格低室温下可逆储放氢易被氧化活化困难抗杂质气体中毒能力差实际使用时需对合金进行表面改性处理*197资源丰富，价格低*90*198镁系储氢合金在300-400℃和较高氢压下，Mg2Ni与氢生成Mg2NiH4，含氢量为3.65wt％，理论储氢量可达6%，但其稳定性强，释氢困难。用Ca和A1取代部分Mg形成Mg2-xMxNi，氢比物离解速度比Mg2Ni增大40％以上，活化容易，具有良好的储氢性能，性质稳定。利用过渡元素(M)置换Mg2Ni中的部分Ni，形成Mg2Ni1-xMx合金(M＝V、Cr、Mn、Fe、Zn等)，也可改善吸/释氢的速度，具有实用价值。*91镁系储氢合金在300-400℃和较高氢压下，Mg2Ni储氢容量高密度小资源丰富价格低廉放氢温度高（250－300℃）放氢动力学性能较差*199储氢容量高*92氢储存是储氢合金最基本的应用。金属氢化物储氢密度高，采用Mg2Ni制成的储氢容器与高压(20MPa)钢瓶和深冷液化储氢装置相比，在储氢量相等的情况下，