[发明专利]一种有机物复合氨硼烷储氢材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及新能源氢能的储氢材料与技术，具体为一种有机物复合氨硼烷储氢材料及其制备方法。

背景技术

氢是一种洁净高效的能源载体，被认为是连接化石能源向可再生能源过渡的重要桥梁。在未来的能源体系中，氢能可以成为与电能并重而互补的终端能源，渗透并服务于社会经济生活的各个方面，从而为国家的能源安全和环境保护做出重要贡献。氢能的规模化应用必须解决氢的制取、储运和应用等相关技术。近十年来，氢燃料电池、氢燃料电池汽车及其相关领域的快速发展，有效推动了氢能技术的进步，但经济、安全和高效的储氢技术问题仍未得到有效解决。因此，发展高能量密度、高效率和安全的氢储运技术是必须解决的关键技术问题。在各种潜在的储氢方式中，固态储氢材料在能量密度、操作安全性等方面明显优于高压容器储氢和低温液态储氢，长期以来一直被视为最具发展前景的储氢方式。已有的储氢合金体系（如AB、AB₂和AB₅型合金等），虽具有高体积储氢密度，但温和条件下的有效质量储氢容量多低于3wt%，难以满足移动式氢源等能量转换的需求。由轻元素组成的配位氢化物储氢材料，如硼氢化锂（LiBH₄）、硼氢化钠（NaBH₄）和氨硼烷（NH₃BH₃）等硼氢化物因其具有高储氢容量而成为当前储氢研究领域的重点材料之一。

氨硼烷（NH₃BH₃, Ammonia borane, AB）具有19.6 wt%的理论储氢容量，可通过催化水解或热解等方式实现放氢。催化氨硼烷水解放氢具有良好的反应可控性，相当多的异相金属催化剂（如Pt等贵金属及过渡金属等非贵金属）用于氨硼烷水溶液的可控产氢反应，催化剂活性高度依赖于金属种类，粒子尺寸、晶态、催化剂前驱体以及载体材料（Q. Xu, M. Chandra. J. Power Sources, 2006, 163, 364-370; ?. Metin, V. Mazumder, S. ?zkar, et al. J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 1468-1469）。由于氨硼烷在水中溶解度有限，体积储氢密度还难以满足实际要求。近年来，氨硼烷热解方面的研究受到了广泛关注，氨硼烷热解放氢过程是分步进行的，分解温度高于质子交换膜燃料电池的工作温度（>114℃），而较低温度下的放氢动力学缓慢，使得低温下分子内氢的利用率不高。另外，在氨硼烷热解放氢过程中，常伴随硼嗪（borazine）、乙硼烷（diborane）、氨气（ammonia）等有害气体杂质的产生，使燃料电池中金属催化剂中毒失活。针对上述问题，采用的技术方法主要有：利用限域效应，将AB装填到介孔或碳气凝胶的纳米孔道中，降低反应活化能和热解放氢温度，并抑制副产物的生成(L. Li, X. D. Yao, C. H. Sun, et al. Adv. Funct. Mater. 2009, 19, 265-271)；通过金属氢化物等与氨硼烷作用生成新型的金属-氨硼烷化合物，改善其热解动力学行为(X. D. Kang, L. P. Ma, Z. Z. Fang, et al. Phys. Chem. Chem. Phys. 2009, 11, 2507-2513)；另外研究表明离子液体、金属有机框架等也能加快产氢速率，减少分解反应的驰豫时间(M. E. Bluhm, M. G. Bradley, R. Butterick, et al. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 7748-7749; Z. Y. Li, G. S. Zhu, G. Q. Lu, et al. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 1490-1491 )。最近，我们课题组研究开发了一种新型的聚丙烯酸甲酯复合的氨硼烷储氢材料，这种材料明显降低了氨硼烷的放氢温度，并在一定温度范围内抑制了有害气体杂质（例如硼嗪和乙硼烷）的产生，且具有一定的防水性(J. Z. Zhao, J. F. Shi, X. W. Zhang, Adv. Mater. 2009, 21, 1-4)。 

尽管氨硼烷热解放氢的研究已经取得了一定进展，但目前仍然缺乏满足实用化需求的成熟体系。因此，发明具有良好放氢性能的有机物复合氨硼烷储氢材料体系的开发对于提高氨硼烷的实际应用价值将具有重要意义。。

发明内容