新能源材料的研究热点:稀土储氢材料和稀土核能材料
栏目:新闻资讯 发布时间:2020-08-06
新能源材料的研究热点:稀土储氢材料和稀土储氢能材料

一:新能源及新能源材料

能源是人类生存和社会发展的物质基础。目前,世界上的主要能源是煤、石油和天然气等化石能源。这些化石能源均是不可再生的能源,不久它们将被耗尽。此外,燃烧化石能源产生的二氧化硫和氮氧化物也会严重地污染环境。因此,新能源和再生清洁能源技术也就成为21世纪世界经济发展中最具有决定性影响的五大技术领域之一。能替代化石能源的新能源有多种,包括太阳能、风能、生物质能、水能、地热能、海洋能等可再生能源以及氢能和核能。


目前,最具吸引力的新能源是正处于研究开发阶段的氢能和已实现商业化应用的核能。这两种新能源不但资源丰富,而且都是清洁能源。新能源材料指实现新能源的转化利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料,是发展新能源的核心和基础。一些稀土金属及其化合物由于特殊的性能使其在某些新能源材料中有着十分重要的应用。


二:稀土储氢材料

稀土储氢材料是一种极具发展潜力的功能材料和能源材料,主要用于氢气储运、分离和提纯;加氢反应的催化剂;高性能充电电池;氢气压缩机;热泵和致冷等方面,市场前景十分广阔,是21世纪绿色能源领域中的战略材料。

储氢材料分类


储氢材料名义上是一种能够储存氢的材料,实际上它必须是能够在适当的温度、压力下大量可逆地吸收、释放氢的材料。目前通常把储氢材料分为金属储氢材料、非金属储氢材料及有机液体储氢材料等几大类。


(1)金属(或合金)储氢材料

并不是所有金属氢化物都能做储氢材料,只有在温和条件下大量可逆地吸收和释放氢的金属或合金氢化物才能做储氢材料。


理想的金属(合金)储氢材料应具备以下条件:

①在不太高温下,储氢量大,释放氢量大

②氢化物的生成热一般在-46~-29kJ/molH2之间

③原料来源广,价格便宜,容易制备

④经多次吸、放氢,其性能不会衰减,即使有衰减现象,经再生处理后,也能恢复到原来水平

⑤有较平坦和较宽的平衡压力平台区,即大部分氢均可在一持续压力范围内放出

⑥易活化,反应动力学性能好。


(2)非金属储氢材料

玻璃微球、碳系材料等非金属材料是近年来刚发展起来的新型储氢材料。这类储氢材料均属于物理吸附型的。这种储氢材料的吸氢量一般均大于金属吸氢材料,是一类很有前途的新型储氢材料。


(3)有机液体储氢材料

某些有机液体,在适当的催化剂作用下,在较低压力和相对高的温度下,可做氢载体,达到储存和输送氢的目的。其储氢量可达7%(质量分数)左右。


(4)其他储氢材料

除以上3类储氢材料外,还有一些无机化合物和铁磁性材料可用作储氢,磁性材料在磁场作用下可大量储氢,储氢量比铁铁材料大6~7倍。


目前,研究较多较为成熟的是金属(或合金)储氢材料,金属氢化物的出现为氢的储存、运输及利用开辟了一条新的途径。特别是稀土系AB5型(如LaNi)储氢材料的吸放氢速度快、易活化等许多性能均优于其他储氢合金,因而备受人们重视并获得了广泛应用。


稀土储氢材料性能

稀土储氢材料性能要求总的来说有:高的储氢比容量;合适的压力特性,即宽而平坦的压力平台;压力滞后小;易活化;吸放氢速度快;良好的抗中毒性能;循环寿命长;价格低廉等。


稀土储氢材料应用

稀土储氢材料作为一种新型功能材料,广泛用于氢的储存、运输,氢气的分离和净化,合成化学的催化加氢与脱氢,镍氢电池,氢能燃料汽车,金属氢化物压缩机,金属氢化物热泵、空调与制冷,氢化物热压传感器和传动装置等,不少应用领域已形成产业,有的则正在开发中。


三:稀土核能材料

核能不但是重要的新能源,而且是一种清洁的能源。利用核能既不产生烟尘、二氧化硫和氮氧化物,又不产生二氧化碳。核能产生的有害气体也比化石燃料少得多。尽管核能有产生放射性物质的缺点,但核能生产中均有严格的防护和后处理措施,确保绝对安全。核能是巨大的,1kg铀235裂变释放的能量相当于2500t标准煤燃烧释放的能量。而核聚变反应所释放的能量比核裂变时所释放的能量就更大。核聚变能和太阳能将是未来占主导地位的能源,核裂变能则是目前的化石能向未来能源过渡不可或缺的替代能源。

稀土金属由于具有不同的热中子俘获截面和其他方面特殊性能,使其在核能材料得到广泛的应用。不少稀土元素可用作反应堆的结构材料、控制材料、慢化材料和各种陶瓷绝缘材料等。


稀土结构材料

反应堆要求结构部件和燃料元件有一定的强度、耐蚀性和高的热稳定性,同时还要防止裂变产物进入冷却剂。稀土金属钇的热中子俘获截面小,而且它的熔点高,它不与液体铀或钚起反应,吸氢能力也很强,可用作反应堆热强性结构材料。含铕的银合金具有特别好的强度和抗腐蚀性能,铕的质量分数为9%的合金在360℃和19.2MPa的水中能耐腐蚀且具有足够的强度,因而很有实用价值。


稀土控制材料

稀土元素钆、钐、铕、钠和铒的热中子俘获截面特别大,是优良的核反应堆控制材料,可用作反应堆的控制棒、可燃毒物、中子通量抑制剂以及防护层的中子吸收剂。


稀土慢化材料

热中子反应堆内的中子需要慢化。稀土元素钇、镧、铈的热中子俘获截面都小,它们吸氢后都形成相应的氢化物,作为氢的载体可用于反应堆芯的固体减缓剂,以慢化中子速度,增加核反应概率。氢化钇是很有前途的高温堆减速材料。稀土元素铈、钇及镧的氧化物可作为铀燃料原体的稀释剂,并能降低其蒸气压,增加其导热性,目前已经制得了氧化铀氧化铈陶瓷燃料。