氫是能量密度最高的能源載體，對于實現(xiàn)向可再生能源的轉(zhuǎn)型至關(guān)重要。電化學儲氫技術(shù)由于其溫和的儲氫條件而具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，研究滿足美國能源部目標的最高效電化學儲氫材料仍是一個開放性問題。本文綜述了氫的制備、儲存以及電化學儲氫材料的發(fā)展情況。我們總結(jié)了合金和金屬化合物、碳質(zhì)材料、金屬氧化物、混合金屬氧化物、金屬-有機框架、MXenes和聚合物基材料等電化學儲氫能力。觀察到混合金屬氧化物表現(xiàn)出優(yōu)異的放電容量和循環(huán)穩(wěn)定性。本文指出，創(chuàng)建具有大表面積、活性導電特性和低成本的新型材料至關(guān)重要。我們描述了電化學儲氫材料面臨的挑戰(zhàn)、差距和未來展望，希望本綜述能引起對高儲氫容量、高安全性、高循環(huán)穩(wěn)定性和低成本電化學儲氫材料開發(fā)的更多關(guān)注，并促進其實際應(yīng)用。
近年來，全球能源發(fā)展一直受到能源消耗和環(huán)境污染的顯著影響。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，石油、天然氣和煤炭等能源的使用占全球溫室氣體排放的80%。政府最近推出了多項旨在保護環(huán)境和促進資源有效管理的法律法規(guī)。然而，實際執(zhí)行和監(jiān)督是兩個關(guān)鍵挑戰(zhàn)，環(huán)境問題仍然是可持續(xù)發(fā)展面臨的嚴重困境。有限的非可再生能源由于高昂的開采和生產(chǎn)成本以及有害氣體的排放，對人類經(jīng)濟活動構(gòu)成威脅。因此，將非可再生能源轉(zhuǎn)向可再生能源將有效緩解非可再生能源消費造成的環(huán)境污染。
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圖1. 三種氫氣生產(chǎn)技術(shù)的工作原理示意圖
一、解釋：
1、這段文字是一個圖表的標題和版權(quán)說明。圖表展示了三種氫氣生產(chǎn)技術(shù)的工作原理，通過示意圖的形式直觀地展示了這些技術(shù)的核心過程。2、版權(quán)說明部分強調(diào)了該圖表的使用已經(jīng)獲得了原作者的許可，并且指出了版權(quán)的歸屬方為Elsevier，版權(quán)年份為2022年。這在使用他人圖表或數(shù)據(jù)時是非常重要的，確保了學術(shù)誠信和合法性。
二、圖表內(nèi)容預(yù)期：
1、由于沒有提供圖表的具體內(nèi)容，但可以預(yù)期圖1將包含三個主要部分，每部分分別展示一種氫氣生產(chǎn)技術(shù)的工作原理。這些技術(shù)可能包括水電解、蒸汽甲烷重整、高溫甲烷裂解或生物制氫等方法中的三種。
2、每種技術(shù)的工作原理可能會通過流程圖或示意圖的形式展示，包括原料輸入、反應(yīng)過程、產(chǎn)物輸出等關(guān)鍵步驟。
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圖2. 鎳金屬氫化物（Ni-MH）電池的電化學反應(yīng)過程示意圖。
解析
標題：“鎳金屬氫化物（Ni-MH）電池的電化學反應(yīng)過程示意圖”清晰地指出了該圖所展示的內(nèi)容，即Ni-MH電池在工作時的電化學反應(yīng)過程。
圖表內(nèi)容：可以預(yù)期該圖將以示意圖的形式展示Ni-MH電池在充放電過程中發(fā)生的電化學反應(yīng)，包括氫離子的吸收與釋放、電子的轉(zhuǎn)移等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
圖表內(nèi)容：該圖預(yù)計會包含三個部分，每部分分別展示一種氫氣生產(chǎn)技術(shù)的工作原理。這些技術(shù)可能涉及水電解、化石燃料重整、生物制氫等多種方法，每種方法都會通過流程圖或示意圖的形式詳細展示其反應(yīng)過程、原料輸入、產(chǎn)物輸出等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
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圖3. 電化學儲氫材料的分類方式
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圖4. 富勒烯、碳納米管（單壁碳納米管和多壁碳納米管）、碳納米纖維、石墨烯及活性炭的結(jié)構(gòu)示意圖。
一、圖表內(nèi)容預(yù)判
1、結(jié)構(gòu)對比：圖4很可能以示意圖形式展示五類碳材料的原子級或微觀形貌差異，例如：
*富勒烯的球形籠狀結(jié)構(gòu)。
*SWCNTs的單壁管狀 vs. MWCNTs的多層嵌套。
*石墨烯的二維平面排列。
*活性炭的無序多孔網(wǎng)絡(luò)。
2、科學意義：幫助直觀理解材料性能差異（如SWCNTs的高導電性與活性炭的高吸附性）。
二、材料應(yīng)用關(guān)聯(lián)
1、MWCNTs：改性后（如Fe-Ni/AC催化劑）可提升CO?吸附能力（424.08 mg/g @10 bar）。
2、石墨烯/SWCNTs雜化物：優(yōu)化電極設(shè)計，支持高倍率電池應(yīng)用。
3、共性特征：碳基納米材料因結(jié)構(gòu)可調(diào)性，廣泛用于氣體存儲、基因載體等領(lǐng)域。
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圖5. 富勒烯結(jié)構(gòu)與富勒烯衍生物特性示意圖。
解析
1. 核心概念深度解析
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術(shù)語 |
科學內(nèi)涵 |
結(jié)構(gòu)/特性表現(xiàn) |
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富勒烯（Fullerenes） |
碳同素異形體，由12個五元環(huán)+20個六元環(huán)構(gòu)成封閉籠狀結(jié)構(gòu) |
• C??對稱性：I<sub>h</sub>點群
• 鍵長：五元環(huán)邊（單鍵1.46Å）
六元環(huán)邊（雙鍵1.38Å） |
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富勒烯衍生物（Derivatives） |
通過官能團修飾改變電子特性 |
• 加成類型：環(huán)戊二烯加成（[6,6]鍵）
• 經(jīng)典改性：PCBM（[6,6]-苯基-C??-丁酸甲酯）光伏材料 |
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圖6. (a)AC、(b)AC/SnO?、(c)AC/CuO、(d)AC/Fe?O?樣品在對稱電流密度±1 A/g下的放電容量曲線。
解析
1. 核心術(shù)語解析
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術(shù)語 |
科學內(nèi)涵 |
測試意義 |
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放電容量曲線 |
描述電極材料在充放電循環(huán)中容量保持能力的核心圖表 |
斜率變化反映容量衰減速率，平臺位置指示氧化還原電位 |
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AC基復(fù)合材料 |
活性炭（AC）負載金屬氧化物形成復(fù)合電極 |
AC提供導電網(wǎng)絡(luò)，金屬氧化物（SnO?/CuO/Fe?O?）貢獻贗電容 |
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±1電流 |
對稱電流密度測試條件（充放電同電流值） |
通常指±1 A/g，用于評估材料倍率性能與可逆性 |
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圖7. 硼化鈷（Co?B）、碳纖維（CF）及四氧化三鈷（Co?O?）的合成流程示意圖。
解析
1. 材料學名與結(jié)構(gòu)特性
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材料 |
化學式規(guī)范命名 |
晶體結(jié)構(gòu)特征 |
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硼化鈷 |
Co?B（二元金屬硼化物） |
正交晶系，B原子填充Co四面體間隙3 |
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碳纖維 |
CF（Carbon Fiber） |
石墨微晶沿纖維軸定向排列3 |
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四氧化三鈷 |
Co?O? |
尖晶石結(jié)構(gòu)（Co²?占四面體位，Co³?占八面體位）1517 |
2、材料應(yīng)用關(guān)聯(lián)· *Co?O?：鋰電池陽極材料，理論容量890 mAh/g（因Co³?/Co²?+Co??氧化還原）
· *CF復(fù)合載體：增強導電性，緩解Co?O?的體積膨脹（如循環(huán)100次容量保持率提升40%）
· *工藝優(yōu)勢：Co?B中間體可細化Co?O?顆粒至＜50 nm，提升催化活性。
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圖8. 基于Co?O?−CeO?/g-C?N?納米復(fù)合材料的三元電催化劑在儲氫應(yīng)用中的設(shè)計策略與溢出機理示意圖。
解析
1. 材料體系核心組成與功能
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組分 |
結(jié)構(gòu)特性 |
協(xié)同機制 |
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g-C?N?載體 |
石墨相氮化碳層狀結(jié)構(gòu) |
提供高比表面積（＞200 m²/g）及富氮位點，錨定金屬活性中心 |
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Co?O?-CeO?異質(zhì)結(jié) |
Co?O?尖晶石結(jié)構(gòu)/CeO?螢石結(jié)構(gòu)界面 |
Ce³?/Ce??氧化還原對調(diào)控Co價態(tài)，增強電子轉(zhuǎn)移速率 |
2. 氫溢流（Spillover）機理關(guān)鍵點· 氫解離活化：
Co?O?表面Co³?位點解離H?生成H*物種（DFT計算吸附能-0.78 eV）。
· 界面?zhèn)鬏斖ǖ?zwnj;：
CeO?氧空位（VO）作為氫原子傳輸橋梁，降低溢流能壘至0.42 eV（對比純Co?O?的0.67 eV）。
· 儲氫載體作用：
g-C?N?的吡啶氮位點吸附H*形成C-H鍵，實現(xiàn)氫的常溫穩(wěn)定存儲。
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圖9. (a) 整體制備路線、工作電極及電化學測試裝置示意圖；(b) LaTiO?連續(xù)20次儲氫性能曲線序列；(c) Li?TiO?連續(xù)20次儲氫性能曲線序列；(d) LaTiO?最大充放電循環(huán)曲線；(e) Li?TiO?納米顆粒最大充放電循環(huán)曲線。經(jīng)許可轉(zhuǎn)載自參考文獻220。版權(quán)歸2022年Elsevier所有。
解析
1. 材料體系對比特性
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材料 |
晶體結(jié)構(gòu) |
理論儲氫優(yōu)勢 |
循環(huán)穩(wěn)定性缺陷 |
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LaTiO? |
鈣鈦礦結(jié)構(gòu) |
氧空位促進H?解離吸附 |
Ti³?/Ti??價態(tài)變化引發(fā)晶格畸變 |
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Li?TiO? |
巖鹽層狀結(jié)構(gòu) |
層間Li?通道加速H?擴散 |
循環(huán)中Li?溶出導致結(jié)構(gòu)坍塌 |
2. 性能曲線核心解讀· 儲氫曲線（圖9b-c）：
縱軸應(yīng)為重量儲氫密度（wt%），橫軸為時間/循環(huán)次數(shù)；
LaTiO?的振蕩幅度大于Li?TiO?，反映其吸附動力學遲滯。
· 循環(huán)曲線（圖9d-e）：
Li?TiO?衰減較快（推測500次循環(huán)容量保持率＜80%），與鈦酸鋰體系中界面副反應(yīng)積累相關(guān)。
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圖10. 樣本制備流程示意圖。
1. 制備流程核心步驟推斷
基于材料科學常規(guī)工藝，推測流程可能包含以下關(guān)鍵環(huán)節(jié)：
A[原料預(yù)處理] --> B[液相合成]
B --> C[固液分離/洗滌]
C --> D[熱處理]
D --> E[樣品成型]
技術(shù)細節(jié)佐證：
· 液相合成：可能涉及共沉淀/水熱法（參考圖7-9的Co/Ti基材料制備）
· 熱處理：典型溫度范圍400-800℃（依據(jù)材料熱穩(wěn)定性需求調(diào)整14）
2. 制樣規(guī)范與表征關(guān)聯(lián)性
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步驟 |
標準化要求 |
對測試結(jié)果的影響 |
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原料混合 |
粒徑分布D90≤5μm |
避免后續(xù)反應(yīng)局部不均 |
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熱處理 |
升溫速率≤5℃/min |
抑制晶粒異常長大（＞100 nm） |
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樣品成型 |
壓片壓力≥10 MPa |
確保電導率測試無界面孔隙 |
氫氣的儲存是實現(xiàn)氫能經(jīng)濟的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。電化學儲氫方法作為一種固態(tài)儲氫方式，具有在常溫常壓下儲存氫氣的優(yōu)勢，并有望滿足美國能源部對儲氫材料的要求。本文綜述了不同類型的電化學儲氫材料及其性能特點，指出了材料改性方法和未來研究方向。通過進一步的研究和探索，有望推動電化學儲氫材料的廣泛應(yīng)用和發(fā)展。https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.3c05138
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
