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文章信息水合物储氢的研究进展李昊阳1,2，张炜1,3，李小森1，徐纯刚11中国科学院广州能源研究所，广东 广州 510640；2中国科学院大学，北京100049；3中国科学技术大学能源科学与技术学院，安徽 合肥 230026● 引用本文：李昊阳, 张炜, 李小森, 等. 水合物储氢的研究进展[J].化工进展, 2022, 41(12): 6285-6294.●DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0321文章摘要氢作为一种清洁能源，越来越受到人们的重视，氢能利用技术的需求日益迫切。氢能的利用关键挑战在于氢气的储运，促进剂作用下氢气水合物可使氢气在相对温和的温压条件下安全、长期地储存，为储氢提供了一种选择。水合物储氢因其安全环保的特性具有巨大的工业化应用潜力，其目前工业化应用的两个关键问题即为储氢密度与储氢速率。本文首先回顾了氢气水合物的研究历程，阐述了几种常见氢气水合物的相平衡数据，然后归纳了不同晶型氢气水合物的储氢密度，最后总结了物理方法强化与化学方法强化对水合物储氢速率的影响，通过对近年来水合物储氢评估与总结，提出了当前水合物储氢存在的问题与未来研究方向，以期为水合物储气的工业化应用和氢气水合物的研究提供参考。气体水合物，也称为笼型水合物，是主体分子（水）与客体分子（如甲烷、二氧化碳等）在高压、低温环境下自发形成的一种笼型晶体化合物。水分子间通过氢键构成不同结构的笼子，客体分子进入笼内，并通过分子间作用力使笼内结构更加稳定。水合物结构因客体分子性质，压力条件不同而变化，如表1所示，水合物常见的三种结构有sI型、sII型和sH型。此外，不同气体分子形成水合物相平衡条件不同。通常情况下，1m3水合物可容纳160~170m3标准体积气体。气体水合物的这些特性使其在气体储运（例如储运甲烷和氢气）、气体分离（例如CO2的捕集与分离）、海水淡化、二氧化碳封存等方面具有很好的应用前景。比如在气体储运方面，相对于传统的气体储运技术，水合物储运气体具有安全性高、可操作性高、清洁性高的优势，尤其对于难压缩液化、易燃易爆的气体储运，这种优势体现得更明显。表1三种水合物结构的有关参数氢是一种高品位能源，但由于氢气分子密度低、分子小、易燃烧爆炸，氢气的储运是一大难点。常见的储氢方法有金属储罐储氢、高压气态储氢、低温液化储氢与固体材料储氢。目前应用较广泛的是高压气态储氢，需要在35～70MPa的高压罐中存储，故对储罐材料要求较高，且存在爆炸风险，因此以压缩氢气的方式大规模储氢仍存在争议。在合适的温度或压力下也可通过液化气态氢来实现氢气储存，该技术可以大大提高单位体积内气体储存量。但是，液化氢需要在20K的专用液态氢储罐中存储，投入成本较大。在一定条件下，纯金属和氢气反应生成二元金属氢化物，也可实现储氢。如MgH2、LiH、AlH3、CuH2等，二元金属氢化物的储氢量相对较高，反应过程简单，但脱氢温度高，储氢可逆容量衰减性能较为严重，如MgH2质量储氢密度高达7.6%（质量分数），但脱氢温度高达560K。将氢气与水形成氢气水合物可实现在相对温和条件下储氢，是一种新型储氢技术。虽然水合物储氢技术现阶段仍未有成熟的工业化应用，但该技术在近些年来受到了人们的广泛关注，并取得了相当大的发展。水合物储氢作为一种有望取代高压气体储氢、低温液化储氢的新技术，其优势在于：理论储氢量高（质量分数3.77%～4.97%）；纯水体系下气体释放的产物只有氢气与水，对环境友好；加入低浓度（摩尔分数一般小于5.6%）的促进剂后，可以改善水合物的<E789A9>
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