1.储氢合金的设计

单质金属除了V能够具备室温附近平衡压在1～10bar以外，其他金属都不具备。目前研究较多的储氢金属合金主要都是二元体系或者基于二元体系。单纯从化学角度考虑，此类储氢合金A_mB_n由两大类元素组成，A元素一般为电负性较小的元素，容易与氢反应生成稳定氢化物，生成氢化物时一般失去电子或者电子云偏向氢，并放出一定的热量。这些元素主要为ⅠA-ⅤB族金属，如Li、Na、Ca、Mg、Ti、V、Zr以及稀土元素等。B元素一般不与氢反应或者很难与氢反应，但它与A形成合金后，能够催化氢的吸收和放出。这些元素主要是ⅢA金属和ⅥB-Ⅷ族过渡金属元素，如Cr、Mn、Ni、Co、Fe等。图8-7显示了不同元素的Pauling电负性值。

图8-7 Pauling电负性元素周期表

Morinaga和Nakatsuka等人^[23-31]通过分子轨道方法研究了储氢合金中的元素作用，他们发现虽然大家传统理解元素B只是用于降低元素A与氢之间的强的相互作用力，但是其实在储氢合金形成氢化物时，元素B反而与氢形成更强的相互作用力。从热力学角度，Wol-verton等人根据氢气ΔS值在温度为20℃，平衡压为1bar时为131J/（K·mol）H₂的值，估算出吸放氢温度在-40～80℃之间，平衡压在1～700bar左右的范围时，ΔH值的范围大约为-45～-20kJ/mol H₂^[32]，这个反应焓范围可以用来在理论计算过程中进行目标体系的初步筛选。不过他们也提到ΔS在有的体系中，很可能会大大偏离-131J/（K·mol）H₂的标准值，因此单纯去根据ΔH值来判断储氢合金体系是否可以实用有时会与实际情况有很大的偏差。比如氢化镁在放氢过程中由PCT曲线，通过van't Hoff方程得到的ΔS值一般为-135～144J/（K·mol）H₂左右。

2.储氢合金的性能评价

评价一种储氢合金的综合性能有一系列的指标，包括PCT特性、活化性能、动力学、抗毒化性能、循环稳定寿命、安全性能以及材料价格等。因为储氢材料的应用，特别是氢动力汽车的应用时，需要面对多方面的苛刻的要求。2009年美国能源部修改了对未来氢动力汽车使用储氢材料的实用化指标值（见表8-6），降低了对储氢材料体系的重量密度等设计指标。日本NEDO新能源产业技术开发机构也有类似的材料储氢目标值。具体而言，一个储氢材料的大规模实用化，它需要满足以下一些方面的要求。

表8-6 2009年美国能源部储氢材料指标

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1）PCT特性。从合金的PCT曲线，我们可以得到储氢合金材料最大吸氢量、有效吸氢量、不同温度下吸放氢的平衡压、平台的倾斜度、吸放氢平台的滞后等信息。另外从PCT曲线，我们可以得到氢化物的van't Hoff方程，由此便可以得到其热力学数值。从这些数值，可以对储氢合金进行评价和筛选。比如，今后所要重点开发的储氢合金特别是可以应用于氢动力汽车方面的合金材料，应该是-15～100℃之间，其放氢平衡压应该在0.1～1MPa的体系，美国能源部则要求体系氢重量含量应该超过5.5%（2015）。好的储氢合金应该是吸放氢容量大、滞后小、特定温度下吸放氢平衡压合适的体系。

2）动力学性能。不同的储氢合金其动力学性能会相差很大，有的合金材料具有非常优良的动力学性能，在低温下便具有很高的吸放氢速度。而有的材料在高温下具有比较好的吸放氢动力学性能，低温下则吸放氢性能非常不好，镁基材料便是如此。

3）活化性能。活化过程是为了让合金材料能够吸收氢气，并能够达到最大吸氢量以及吸放氢速度的步骤。它一般与材料的表面结构、氧化层以及颗粒度等材料的因素有关。一般而言，材料活化以后，由于氢的进入使得材料表面氧化层撕裂，内部破碎，于是会出现新的表面层，这样与氢的反应便进入了快速阶段。好的储氢合金必须是活化容易或无需活化。

4）抗毒化性能。抗毒化性能也是衡量一个材料的重要因素。很多场合下，储氢材料会接触到含有杂质气体的氢气或应用于一个非密闭的环境中，这样就很容易会接触到其他气体等杂质。如果这些气体杂质很容易使合金中毒，从而使得反应速度或吸放氢量大大降低并且很难恢复的话，这样的储氢合金便很难广泛地实用化。

5）循环稳定性能。储氢合金材料的应用过程中，它的循环寿命直接决定着其使用过程的价格成本。优良的储氢合金应该具有好的循环性能，反复吸放氢以后，合金吸放氢量衰减应该很小。

6）安全性能。这是考查一个合金能否实用的非常关键的因数。好的储氢合金应该是对周围环境无毒害作用，不污染环境。

7）价格因数。广泛实用化的储氢合金材料应该价格低廉，可以大范围开发和使用。