储氢材料(Hydrogen storage material

577浏览 分类:潮流商务 2020-06-18

氢能具有乾净、无汙染及热值高等优点,安全的储存和运输是氢能利用的关键。储氢材料(hydrogen storage material)是一类能可逆地吸收和释放氢气的材料,例如错合物储氢材料,其储氢原理是,将硷金属和氢反应生成离子型氢化物,氢化物受热又可分解放出氢气。无机化合物氢化锂 $$\mathrm{(LiH)}$$、胺基锂 $$\mathrm{(LiNH_2)}$$、亚胺基锂 $$\mathrm{(Li_2NH)}$$ 都是具有发展潜力的储氢材料。

氢化锂 $$\mathrm{(LiH)}$$

氢化锂(Lithium hydride)是外观为无色固体的无机化合物,若含有杂质则呈灰色。製备方法是将锂金属与氢气在高温下反应,在 $$600^\circ C$$ 以上时反应速率特别快。

$$\mathrm{2Li+H_2\rightarrow 2LiH}$$

氢化锂分子量还不到 $$8$$,是最轻的离子化合物。具有高熔点 $$(688.7^\circ C)$$,可与水反应产生氢气,不溶于乙醇或丙酮中。氢化锂与水及其他质子化试剂(protic reagents)具极佳反应性,但不如锂金属,因此对水、乙醇而言,氢化锂是比较温和的还原剂。

$$\mathrm{LiH+H_2O\rightarrow LiOH+H_2}$$

氢化锂中的氢含量比率是氢化钠的三倍,居所有氢化物之冠。氢化锂在储氢方面颇受关注,但其应用往往受阻于此材料的稳定性,此因欲从氢化锂中移除氢需要极高温度,甚至高于合成时所需的 $$700^\circ C$$ 高温。此化合物曾被应用在模型火箭中,检测其作为燃料成分的可行性。

胺基锂 $$\mathrm{(LiNH_2)}$$

胺基锂(Lithium amide)是由锂离子 $$(\mathrm{Li^+})$$ 和氨的共轭硷胺基阴离子 $$\mathrm{({NH_2}^-)}$$ 构成离子化合物,外观为白色固体,其晶体结构为四方晶系。

胺基锂可由液态氨与金属锂反应而得:

$$\mathrm{2Li+2NH_3\rightarrow 2LiNH_2+H_2}~(400^\circ C)$$

胺类的锂盐(Lithium amides)亦可由类似的方法来製备,如二级胺的锂盐:

$$\mathrm{2Li+2R_2NH\rightarrow 2LiNR_2+H_2}$$

胺类的锂盐化学反应性极佳,可作为强硷。只要氮原子未受限于立体障碍,它们亦可作为亲核试剂。

亚胺基锂 $$\mathrm{(Li_2NH)}$$

亚胺基锂(Lithium imide)外观为白色固体,受阳光照射下会转为砖红色,若在真空下加热分解,可得到胺基锂与氮化锂的白色混合物。若在高于 $$500^\circ C$$ 时分解,则会得到氮化锂与氨气。

$$\mathrm{2Li_2NH\rightarrow LiNH_2+Li_3N}$$

$$\mathrm{3Li_2NH\rightarrow 2Li_3N+NH_3}~(T>500^\circ C)$$

 亚胺基锂的製备方法是将胺基锂加热分解:

$$\mathrm{2LiNH_2\rightarrow Li_2NH+NH_3}~(400\sim 500^\circ C)$$

亚胺基锂是一种强硷,可与酸、水及多种有机化合物反应:

$$\mathrm{Li_2NH+2H_2O}$$(冷)$$\mathrm{\rightarrow 2LiOH+NH_3}$$

$$\mathrm{Li_2NH+HCl}$$(稀)$$\mathrm{\rightarrow LiCl+NH_4Cl}$$

$$\mathrm{Li_2NH+H_2\rightarrow LiNH_2+LiH}~(250\sim 350^\circ C)$$

应用

将 $$\mathrm{LiNH_2}$$ 与 $$\mathrm{LiH}$$ 混合可强化其释氢效果,研究发现其释氢反应分为下列三步骤进行:

$$\mathrm{2LiNH_2\rightleftharpoons Li_2NH+NH_3}$$

$$\mathrm{NH_3+LiH\rightleftharpoons LiNH_2+H_2}$$

$$\mathrm{Li_2NH+LiH\rightleftharpoons Li_3N+N_2}$$

参考资料:

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