氢在通常条件下以气态形式存在, 且易燃、易爆、易扩散 ,使得人们在实际应用中要优先考虑氢储存和运输中的安全、高效和无泄漏损失,这就给储存和运输带来很大的困难 。储氢材料一类能可逆地吸收和释放氢气的材料。最早发现的是金属钯,1体积钯能溶解几百体积的氢气,但
近年来,随着经济全球化和人民生活水平的提高,人类对能源的需求与日俱增。能源是社会发展的推动力,目前,世界使用的主要能源为煤、石油、天然气等。但这些均为不可再生资源,同时燃烧时会造成环境污染、全球变暖、雾霾等一系列问题,影响人们的生存环境。人类需发展新型的清洁高效能源取代传统化石燃料。氢能作为化石燃料的首选替代品,引起世界各国密切关注,氢能应用技术正迅速发展,氢能的发展必将带动储氢材料行业繁荣。
氢能作为一种储量丰富、来源广泛、能量密度高的绿色能源及能源载体,正引起人们的广泛关注。氢能的开发和利用受到美、日、德、中、加等国家的高度重视,以期在21世纪中叶进入“氢能经济”时代 。氢能利用需要解决以下3个问题:氢的制取、储运和应用,而氢能的储运则是氢能应用的关键。氢在通常条件下以气态形式存在, 且易燃、易爆、易扩散 ,使得人们在实际应用中要优先考虑氢储存和运输中的安全、高效和无泄漏损失,这就给储存和运输带来很大的困难 。储氢材料一类能可逆地吸收和释放氢气的材料。最早发现的是金属钯,1体积钯能溶解几百体积的氢气,但钯很贵,缺少实用价值。
目前储氢材料研究已经取得了很多重大突破,为储氢材料的研究开拓了新的领域。目前世界上已经研制出多种储氢合金,按储氢合金金属组成元素的数目划分,可分为:二元系、三元系和多元系;按储氢合金材料的主要金属元素区分,可分为:稀土系、镁系、钛系、钒基固溶体、锆系等;而组成储氢合金的金属可分为吸氢类(用A表示)和不吸氢类(用B表示),据此又可将储氢合金分为:AB5型、AB2型、AB型、A2B型。
我国稀土储量丰富,为储氢材料行业的发展提供充足的原材料市场保证。2020年全球稀土资源储量为12000万吨,我国稀土资源储量为4400万吨,我国占全球稀土资源总储量的36.67%,但储氢材料成本偏高是制约其发展的一个重要因素,2020年,我国储氢材料产量1.23万吨,较2019年有所下降。2020年我国储氢材料行业产量1.23万吨,其中,稀土储氢材料产量1.11万吨;其他储氢材料产量0.12万吨。
根据中研普华产业研究院发布的《2024-2029年版储氢材料市场行情分析及相关技术深度调研报告》显示:
液态有机储氢是通过不饱和液体有机物与氢进行可逆反应,即脱氢反应和加氢反应。液态有机储氢具有储氢量大,可重复利用,储运安全等优点。目前,常用的有机材料是烯烃、炔烃、芳烃等不饱和有机液体,但从储存过程的能耗,储氢量等方面考虑,最佳的储氢溶剂为芳烃,是一个理想的有机储氢材料。
碳质储氢材料具有易解吸、吸氢量大、质量轻等特点,是一种非常具有应用前景的物理吸附储氢方式,其中活性炭储氢最为突出。活性炭的储氢机理是依靠材料的孔隙结构、比表面积和表面官能团。研究表明,在常压和低温条件下,活性炭的储氢量与其比表面积和微孔孔容成正相关关系,孔径在0.6~0.7nm时对储氢量的贡献最大,储氢质量分数可达到6%~7%。
我国是全球稀土矿第一大生产国。根据数据显示,截至2021年末,我国稀土矿产量为16.8万吨,产量位居全球第一,占全球总产量60%。稀土储氢材料上游包括稀土原材料的开采,稀土金属的冶炼。中游包括储氢合金粉的制备。下游主要是对于储氢合金粉的综合运用,有镍氢电池、氢能储运等领域。
我国稀土储量丰富,为储氢材料行业的发展提供充足的原材料市场保证。2017年我国稀土储氢材料市场规模达到8.59亿元,此后逐年下降,2020年我国稀土储氢材料市场规模达6.9亿元。目前储氢材料中,稀土储氢材料是唯一实现大规模商业化的储氢材料,占据了绝大部分的市场。2020年稀土储氢材料市场占比达90.55%,其他储氢材料占比9.45%。
目前中国储氢材料行业集中度较高,企业产能CR4超过50%,行业产能的集中度将随着行业的整合度提升而提升。其中厦门钨业稀土储氢材料产能为4500吨/年,达博文实业稀土储氢材料产能为4000吨/年,鑫普新材料稀土储氢材料产能为3000吨/年。业内人士表示,从目前业界来讲,固态合金储氢是最安全、最经济的一种主要的技术路线。而稀土合金材料在固态合金储氢上有着优异的性能表现。
根据中国氢能联盟预测,2025年中国氢能产业产值将达1万亿元,2035年将突破5万亿元。但同时,我国氢能研究仍主要聚焦在交通领域的应用场景,在工业等应用场景方面相对薄弱。
随着燃料电池技术的日益成熟与发展,以氢气为燃料的电动汽车也将迅速发展起来,这就要求必须有安全高效的贮氢系统与之相匹配。传统的液态及高压气态贮氢方式由于成本、质量、体积大小以及安全性等因素限制,无法应用于车载贮氢系统。相比之下,金属氢化物作为一种新型的能源材料,具有贮氢密度高、安全高效及环境友好等优点,将成为未来车载燃料电池的氢载体,所以储氢材料的重点投资区域应在一线城市,尤其是新能源汽车行业地区。
未来储氢材料研究发展的新方向是以开发安全高效的复合储氢材料为前提,实现储氢材料的规模化制备与可循环利用。经过国内外研究者的共同努力,相信氢能在时代中将会扮演重要的角色。
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