[发明专利]储氢材料和释放氢的方法

说明书

技术领域

本发明总体涉及用于储存氢的材料和释放氢的方法。

背景

氢基能源是目前已知能源中最清洁的能源之一，并且会毋庸置疑地在本世纪的能源供应中发挥作用。由化石燃料燃烧引起的严重的环境污染和不可再生能源的消耗是两个严重的问题。

氢基能源被认为是解决这些问题的最具希望的选择，这是由于这种能源能够在大多数应用中代替化石燃料。机载氢的应用(即作为用于交通工具、手提电脑、电话等的燃料)的最大挑战是目前体系的储氢容量低。储氢介质的开发是十分重要的。

目前有四种储氢体系：液态氢、压缩氢气、低温吸附体系和金属氢化物体系。

由于对于有限范围内使用氢的用途，用于储存氢液体或压缩气体的容器的重量通常太重，纯态氢(液态氢或压缩氢气)的应用大多用于大规模或静止的用途。对于车载或任何其它便携式应用，似乎储存在固体材料中的氢是最好的解决方法。因此，低温吸附体系和金属氢化物体系是两种最具希望的体系。

低温吸附体系具有重量和体积适中的优势。在该体系中，氢分子在液氮温度下与活性碳的表面物理结合。在优化条件下，活性碳的储氢容量可达到活性碳重量的7wt％。该体系的缺点与所需的临界条件(即低温条件)有关。

金属氢化物已经被提出用作储氢体系。通过金属或金属合金化学地吸附氢形成相应的金属氢化物。然而，通常已知某些金属氢化物经历高的操作温度(解吸温度高于300℃，平衡氢压力高达100kPa)、缓慢的充氢和放氢动力学以及较低的密度。

同时，尽管已知某些化合物在较低的温度和压力下吸收氢，但在这样的条件下，随后氢的解吸可能较低。这意味着该化合物的反吸收容量低，使它们不适合或不称职作为储氢材料。

目前，最具希望的储氢化合物之一为硼烷氨。硼烷氨为含有约19.6wt％的氢的化合物，其是含氢量最高的氢化物之一。然而，由于硼烷氨具有高的动力学障碍，该化合物的完全脱氢需要高达500℃的温度。

最近，已经描述了用于从硼烷氨氢化物产生氢的若干方法。然而这些已知方法的缺点是该反应为固体反应，已知其受限于反应组分的移动性，并因此需要大量的动能。

亟需提供用在储氢材料中的克服或者至少改善上述的一种或多种缺点的材料。还亟需提供使用克服或者至少改善上述的一种或多种缺点的储氢材料的方法。

还亟需提供用在储氢材料中的能够在较低温度和压力下释放氢的材料。

简述

根据第一方面，提供了储氢材料，其包含以下的至少一种：

(a)任选取代的M-氨基-硼烷配合物；以及

(b)复合材料，其包含：(i)至少一种的M-氮化合物；和(ii)包含(Y-Z)-R键的化合物；

其中

M为金属或准金属；

Y为选自元素周期表的第13族的元素；

Z为选自元素周期表的第15族的元素；并且

R为氢(H)或烃基。

有利地，公开的材料可用于储存氢，并且当其处于某种条件下时，可用于释放储存的氢气。

根据第二方面，提供了释放氢的方法，其包括控制任选取代的M-氨基-硼烷配合物的温度以释放氢的步骤，其中M为金属或准金属。

根据第三方面，提供了用于释放氢的方法，其包括以下步骤：

(a)提供M-氮化合物；

(b)提供包含(Y-Z)-R键的化合物

其中

M为金属或准金属；

Y为选自元素周期表的第13族的原子；

Z为选自元素周期表的第15族的原子；并且

R为氢(H)或烃基；以及

(c)使M-氮化合物与所述包含(Y-Z)-R键的化合物反应以释放氢。

有利地，在一实施方案中，包含(Y-Z)-R键的化合物可处在溶液中，由此加快反应物之间的反应速率并由此加快释放氢的动力学。

定义

本文所用的下述词语和术语具有如下所述的含义：

术语“化合物”及其语法变形具有宽泛的含义，例如尤其是由元素或部分的结合形成的产物，但不排除由明确重量比例的两种或更多种成分的化学结合形成的独特的物质。

术语“金属-氮化合物”及其语法变形是指包含至少一个金属原子和至少一个氮原子的化合物。金属原子和氮原子可以或可以不互相结合或与其它元素的原子结合。

本文所用的术语“氨基”或“胺”是指-NR_aR_b形式的基团，其中R_a和R_b分别选自但不限于氢、任选取代的烷基、任选取代的烯基、任选取代的炔基和任选取代的芳基。