LiAlH4基复合纳米体系的储氢性能研究

LiAlH4具有较高的储氢容量（～10.6 wt%），是一种极有发展潜力的固态储氢材料。其热力学和动力学属性决定了LiAlH4放氢过程分步缓慢进行，放氢中间产物LiH在低温下不能分解，导致其最大放氢容量不超过7.9 wt％，且在低温低压下难以可逆储氢等缺点。本项目拟开展纳米LiAlH4及其与金属纳米粒子、金属氨基化合物、氨硼烷和石墨烯等复合纳米材料的合成和储氢性能研究，揭示材料的微结构与其储氢性能之间的内在联系，阐明纳米金属催化剂的本质特征和催化机理以及活性组元之间相互作用的机制，探索改变LiAlH4吸放氢反应的新途径，从而使其在低温低压下实现最大限度的放氢和储氢。这些工作的开展将为金属氢化物储氢体系的实际应用获得理论支持和技术突破。

清洁能源的开发与利用对能源安全、污染控制与环境保护和社会可持续发展具有重要意义。氢能是一种清洁能源，氢的制备、储存和应用是氢能源发展的三大技术难题。LiAlH4（LAH）和氨硼烷（AB）都是具有发展潜力的氢化物固态储氢材料。但是，前者动力学性能差、热解放氢温度高、难以深度放氢，后者热解放氢过程中常伴随氨气和硼烷等使燃料电池催化剂中毒的有害气体产生。为了解决这些难题，我们根据本项目的研究计划制备了LAH与AB的系列复合储氢材料。测试结果表明，LAH/2AB的综合储氢性能最佳，其化学式为LiAlN2B2H12，理论储氢密度12.65wt%，放氢动力学性能好，初始放氢温度为50℃，50 - 160℃迅速放氢，放氢量超过10.3wt%（130℃前放氢7.4wt%）；随后在161 - 300℃缓慢放氢，放氢量2.27wt%；300℃时几乎完全热解，累计放氢12.57wt%。在热解过程中不产生氨气、硼烷等有毒气体。而且，该复合材料对空气和湿气不敏感，便于安全存储、运输和使用，可望用于燃料电池供氢系统。另一方面，由于LAH与金属纳米粒子的复合储氢体系化学活性太高，对空气和湿气敏感，难以操控和测试，尚未取得满意结果。但是，我们在金属纳米粒子基复合催化剂的制备及其在NaBH4和AB水解制氢应用方面取得了一些进展。我们发现，碳基负载型催化剂的性能优于非负载型金属纳米粒子，而且载体碳的表面积、微观结构、表面物理化学性质等对负载型催化剂的活性和稳定性有显著影响，碳负载多元金属纳米催化剂存在协同效应，催化性能比单一金属纳米催化剂明显增强。这些经验可为LAH与金属纳米粒子的复合储氢体系的构建以及其催化本质的探讨提供有益的借鉴和指导。同时，我们在有序多孔碳、石墨烯、纳米新材料的合成及其在储氢、氢气等气体传感器（包括电化学传感器）、储锂等新能源与环境污染控制方面也开展了许多有意义的工作，取得了满意结果。这些成果在国际国内产生了良好的学术影响，不仅对储氢材料研究和清洁能源技术的研发具有一定学术意义，而且培养和锻炼了人才，提高了项目参研人员的科学素养，达到了项目预期目标。