当前,面对世界能源紧缺及日益严峻的环境问题,开发利用清洁、高效、可持续使用的能源,已成为人类面临的首要问题。氢气作为一种清洁、安全、高效、可再生的能源,是人类摆脱对“三大能源”依赖的替代能源之一。当前,氢能源除了已广泛应用于新能源汽车、航空航天领域外,还能较大范围应用在无人机、直升机、高铁、航运船舶等领域中。其中,氢能技术能否被广泛利用的关键,在于如何实现更高效、安全的储存,目前,沸石作为优秀的储氢介质,引起了大量国内外学者的高度关注。
有望突破新一代储氢技术壁垒的材料——沸石
目前,作为最具有竞争力的储氢方法,多孔吸附材料的储氢原理是通过吸附增大气体密度以降低储气压力,其中,沸石被国内外研究学者认为是一种优秀还有巨大潜力的多微孔储氢材料,它可以选择性地吸附大小、形状不同的分子,并且具有较大的内外比表面积,而这些特性是沸石在吸附、气体存储等领域得以广泛应用的关键所在。
中国科学院的杜晓明等人研究了沸石对氢的超临界吸附特性,发现沸石在低温性能下储氢性能良好,其在77 K、5MPa时,沸石的储氢质量分数为1.97%,其认为沸石具有的多孔结构决定了其具有巨大的储氢量,作为一种新型的吸附储氢材料,低温下储氢性能优异。
国外研究学者Nijikamp等人对沸石储氢试验研究中表明,在77 K 、1 ×105 Pa 条件下其储量达可达0.7%;增加储氢压力至70-90 MPa,沸石的每个α笼可吸附2-2.5 个氢分子,氢吸附量至少达2%,与原有研究中的理论计算结果基本相符。
除此之外,当前沸石储氢技术领域内,还将一部分研究重点放在沸石包覆储氢方面。美国学者Sesny首次研究了沸石包覆气体的特性,即在一定的高温、高压条件下,沸石的微孔可以存储大于其孔径的气体分子,在25℃下能稳定地存在于沸石中。所包覆气体的平均饱和密度是沸点时液体密度的50%,大约相当于其临界密度。究其原因,是气体的动力学直径大于沸石的孔径,因而在一般情况下气体分子不能穿透沸石或在沸石孔道中穿行, 只有在较高压力和较高温度下才能进入沸石笼中。当气体分子被吸附后通过冷却和减压被被包覆在沸石孔中,如果要将其释放,则需要通过再次加热,而这一过程与当前氢能源汽车的动力学性能不谋而合。
为了实现氢能的广泛应用,研发高效、低成本、低能耗的储氢技术是革新的关键。目前,各种储氢材料各有千秋,若兼顾安全、成本、容量考虑,沸石依托于自身优势与特性,为未来储氢材料发展提供了广阔前景,国内外诸多研究学者、科研机构纷纷通过不断的试验论证来证明其作为新一代主流储氢材料的可靠性。并且,受沸石结构具有储氢特性的启发 , 一系列以沸石为原材料的微孔储氢材料在不断地被合成出来,目前也已广泛应用于多个领域中。由此可见,发掘储氢性能优异的沸石是储氢技术领域的未来主要研究方向与发展趋势,并且其在整个氢能的开发与利用领域的作用也是不可小觑的!