创新 • 创优 • 创见
地球上的每种生物都需要呼吸，但是，你知道吗？呼吸并不是生物的特权，有些金属也能呼吸，而且“肺活量”很大。
和生物呼吸吸入氧气呼出二氧化碳不同，这些金属吸入和呼出的是氢气。这些会呼吸的金属还有钛锰合金、稀土系合金、镁系合金，他们的呼吸功能在“各自的工作岗位”上施展才能。
就拿金属钯来说，能吸收比它的体积大2800倍的氢气，需要时它又能全部“呼”出所有的氢气。还有钛锰合金粉末，如果把钛锰合金粉末装在罐头盒大小的盒子里，每盒可吸入7立方米氢气，相当于4公斤汽油，可以让汽车行驶几十公里。这种“罐头”，在一定条件下“吸”饱氢气，使用时加热、加压，氢气就会不断的被“呼”出来，这样一“吸”一“呼”，汽车就能一直跑下去了。
拥有这种特殊性能的金属被称为储氢金属材料。
在各种化石能源逐渐枯竭，地球生态环境逐渐恶化的今天，氢气是人们发现的最清洁的能源之一。氢在燃烧后只生成水，这对环境保护极为有利。而且氢的储量非常丰富，不管是海底还是陆地，都有大量的氢气产自地下。
氢能源具有广阔的应用前景，但由于氢在一般条件下是以气态形式存在的，而且易燃、易爆，这就为其储存和运输带来了很大的困难。因此，如何妥善解决氢的储存和运输问题也就成为了开发氢能的关键。
传统的储氢方式分为高压气态储氢和低温液态储氢两种方式。
气态储氢方法成本低，在常温下就可以进行，但需要加大压强，使气体压缩，且存储的气体能量较小（当氢气压力为15MPa时，一瓶氢气的重量尚不到钢瓶重量的百分之一），而且这种存储方式对容器要求很高，存在气体泄漏和爆炸的危险。
我们小时候街头卖气球的老爷爷用的就是这种方式储存的氢气来打气球。
这种储氢方式成本低，应用范围最广，是目前车载储氢的主要方式。
低温液态储氢方式是将氢气进行压缩并置于低温的环境下使其成为液态，氢气的液化温度是-253℃，为了使氢保持液态，必须有极好的绝热保护，而绝热层的体积和重量往往与氢气储存箱相当，如大型运载火箭使用液氢作为燃料，液氧作为氧化剂，其储存装置占去了整个火箭一半以上的空间。这种储存方式成本非常高，限制了应用范围，并且对容器材料的要求非常高，否则会造成液氢的蒸发。
以上这两种储氢方式目前来说都具有很大的局限性，限制了氢能源的应用领域。而固态储氢方式的出现打破了这一僵局。
固态储氢的储氢容量高，不需要高压或者隔热容器，而且没有爆炸危险。是非常理想的储氢方式。固态储氢材料主要有储氢合金、纳米材料和石墨烯材料。其中储氢合金的研究从上世纪60年代开始，其研究和应用已经较为成熟。纳米材料和石墨烯材料的研究较晚，成果相对较少。
一、储氢合金
在通常状态下，金属中的原子都是按照一定的规律整齐的排列的，我们称之为晶体。在晶体内部的原子与原子之间存在着许多空隙，一些较小的原子，如氢、氧、氮、碳等，可以进入到这些空隙中，并在空隙之间运动，特别是氢原子，仅由一个质子和一个电子组成，是最小的原子，几乎可以进入各种金属的内部。
氢气在一定条件下进入储氢合金，与合金产生化学作用生成金属氢化物，达到储存氢气和运输的目的。在使用氢气时，可以加热金属氢化物使其进行逆反应，从而释放出氢气。这就要求氢气和金属的反应是容易可逆的反应，且反应条件温和。如今世界上主要研究的是：镁系储氢材料、稀土系储氢材料、钛系储氢材料等。
20世纪60年代中期荷兰Philips实验室发现FeTi等金属间化合物的可逆储氢作用，研制出稀土镧镍系储氢合金LaNi5，并应用于镍/氢电池。从此对储氢合金的研究及其应用得到了迅速发展。
1、镁系储氢材料
镁在地球上的资源丰富，原料来源广阔，且镁合金的储氢量大，将它作为储氢材料成本低，质量分数小，重量轻，便于运输。但它的弊端也很明显，镁合金吸收和释放氢气的速度较慢，释放氢气时需要较高的温度，这直接导致成本的上升。而且，镁或镁合金的表面极易形成一层致密的氧化膜，使其与氢气的反应变得十分缓慢。这些缺点严重阻碍了镁系储氢材料的发展，对促使镁合金与氢气反应的催化剂的研究是镁系储氢材料发展的突破口。
典型代表有Mg2Ni，由美国Brookhaven国家实验室研制。
目前镁系储氢材料主要应用在燃料电池中的燃料氢。
2、稀土系储氢材料
这一类储氢材料是人们发现最早的储氢材料之一。稀土系储氢材料具有吸氢快，平衡压力适中等优点。但是这类储氢材料的缺点也很多，它成本很高，而且吸收氢气后，重量变得很重，循环使用寿命退化也很严重。
人们将稀土系储氢材料和镁系储氢材料结合起来使用，以便克服镁系储氢材料与氢气反应慢、氢化物分解温度高等缺点。另一方面，用稀土合金代替纯稀土元素，可以有效降低成本，达到实际应用的目的。
目前主要应用于镍氢电池。
3、钛系储氢材料
钛系储氢材料最常用的是钛铁、钛锰、钛镍等合金，他们的使用寿命可达到25000次以上，并能保持性能基本不变。并且氢化物分解温度低，价格适中。这种材料的缺点是不易活化，有中毒的危险。
典型代表：TiFe，由美国Brookhaven国家实验室研制。
二、纳米储氢材料
1991年，日本NEC公司的Iijima教授发现了碳纳米管可以吸附储氢，被称为CNTs。纳米储氢材料的储氢机理与储氢合金不同，纳米储氢材料主要依靠吸附作用储氢。
利用碳纳米管这样的微孔材料物理吸附氢分子，因其在特定条件下对氢气具有良好、可逆的吸附性和脱附性而受到广泛重视。
三、石墨烯
2008年，希腊大学的研究者设计出了由石墨烯片和碳纳米管组成的新型3D储氢材料，同样通过吸附方式储氢，它的储氢能力达到了6%（质量分数）。
几种储氢方式的比较
1、高压压缩储氢
储氢量：由于高压气瓶的质量大而造成其储氢量比较低，即使是太空用的钛瓶，其储氢量也仅为5.0wt%。
体积密度：放置于80MPa的轻质容器，其体积密度为36kg/m3H2。
高压压缩储氢的成本比较低，但安全性较差。
2、低温液态储氢
体积密度：由于氢气液态的密度可以达到气态的845倍，故其体积密度高达70kg/m3H2。
低温液态储氢方式的成本是几种储氢方式中最高的，甚至达到压缩储氢的8倍。成本太高约束了低温液态储氢的应用范围，至今基本没有进入民用领域。
3、储氢合金
镧镍系：体积密度高达115kg/m3H2
钛铁/锆系：在金属氢化物中其体积密度是最低的，为70kg/m3H2以上。
镁系：在金属氢化物中体积密度较高，可达150kg/m3H2。
相比较而言，储氢合金的成本是几种储氢方式中最低的，安全性是最高的，没有爆炸危险。
4、纳米材料
纳米储氢和石墨烯储氢一直处于研究阶段，没有获得实际应用。其体积密度一般较小，约5-20kg/m3H2。
如果一辆汽车行驶500公里需要5千克的氢作为燃料，这些氢使用不同储存方式的话，它们的容器体积可以用下图表示。
储氢合金的存储体积密度普遍高于液氢，主要是因为储氢合金形成氢化物后，氢的相对密度大于液氢。
不同储氢技术比较
化石燃料时代向绿色能源时代的转变是必然的，主要是两个转变：一个是化石能源消耗向绿色能源再生转变；另一个是从高碳燃料向低碳燃料转变，所以本质上都是燃料的加氢减碳过程。中国工程院在十多年前提出了氢能社会的概念，氢能将逐渐成为传统能源的核心，储氢材料的研发变得重要而紧迫，这种会呼吸的金属以它独特的性能和优势必然成为氢能储存的主力军，发挥更大的作用。
