成果简介
氢燃料电池可以将氢气的化学能直接转化为电能，具有高效、静谧、环境友好的特点。便携式氢燃料电池可以为手提电脑、相机、便携式检测仪器、户外或野外作业耗电仪器提供电能，其供电时间成倍高于各类蓄电池，无需充电，只需充氢或者更换燃料，在民用和军用装备领域具有广阔的应用前景。
储氢装置是便携式氢燃料电池的一个重要部件，可为燃料电池运行提供氢气燃料。目前，便携式燃料电池常用的储氢供氢方式包括高压气态储氢罐供氢、活性金属水解供氢、固态氢化物储氢罐供氢。其中，固态储氢方式具有体积储氢密度大、安全性高等优点，在便携式氢源的应用优势明显。开发高容量、常温或低温放氢的储氢材料是固态储氢技术应用的关键。氢化铝（AlH3）是一种储氢容量高（重量储氢密度为10 wt%）、放氢温度相对较低（100–200 °C）的储氢材料，特别适合用作便携式氢源的储氢材料。但AlH3的放氢温度相对于实际应用的要求（一般应低于100 °C）仍然偏高。通常采用机械球磨法引入催化剂来降低AlH3的放氢温度，但由于AlH3的亚稳性，其在与催化剂球磨过程中往往会发生分解，导致AlH3的可用放氢容量偏低，因此难以实现AlH3的低温高容量可控放氢。
我校新能源材料研究团队上述问题，开展了AlH3的低温高容量可控放氢的研究攻关，提出一种采用空气球磨引入层状Ti3C2 MXene来实现AlH3低温高容量放氢的方法，其利用空气中的氧化性气氛使AlH3在球磨中形成一层表面氧化膜以抑制AlH3在球磨过程中的分解，而在后续的升温放氢过程中利用层状Ti3C2催化AlH3的放氢，从而获得起始放氢温度低至61 °C、放氢容量可达8.1 wt%的AlH3储氢材料，实现了AlH3的低温高容量可控放氢。该策略是一种普适性方法，可以推广至其他亚稳储氢材料的可控放氢。相关研究成果发表在国际知名期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2022, 14(37), 42102-42112）。另外，研究团队通过调控球磨工艺参数以及引入TiB2也可以实现AlH3的低温高容量放氢。经球磨工艺参数优化的AlH3 + 2.5 wt% TiB2具有较好的放氢性能，其起始放氢温度为78 °C，比单纯AlH3低60 °C，放氢在130 °C终止，可获得8.5 wt%的氢气。催化机理研究表明，AlH3表面的Al2O3层会与TiB2相互作用，形成Al–Ti–B固溶体，导致晶格畸变，使得晶格活化，从而改善AlH3的放氢动力学。相关研究成果发表在国际知名期刊《International Journal of Hydrogen Energy》（Int. J. Hydrogen Energy, 2022, DOI: 10.1016/j.ijhydene.2022.10.198）。
本项研究成果制备的AlH3储氢材料具有放氢温度低、放氢容量大的优点，其作为便携式燃料电池氢源的储氢介质，具有致密、紧凑、储氢容量大、放氢温度低的优点，有望解决便携式燃料电池的高密度安全供氢问题。
应用前景
氢燃料电池由于具有高效、静谧、环境友好的优点，越来越受到人们的关注，其在交通运输、备用电源、热电联供、便携式电源等领域已展现出良好的应用前景。其中，便携式燃料电池可为手提电脑、相机、便携式检测仪器、户外或野外作业耗电仪器提供电能，在民用和军用装备领域具有广阔的应用前景。本研究成果开发的储氢材料具有放氢温度低、放氢容量大的优点，可作为便携式燃料电池的储氢介质，为燃料电池提供持久的氢气，在民用和军用装备领域具有广阔的应用前景。
成熟度
本研究团队在储氢材料和固态储氢技术领域已有多年的研究经验和成果积累，具有从储氢材料成分设计、性能调控以及储氢罐结构设计和制造方面的能力。本研究成果开发的储氢材料放氢性能基本能够满足便携式氢源的使用要求，在进行装置集成后即可推广使用。
成果展示
图1 AlH3的放氢曲线
成果完成人
物理科学与工程技术学院：刘海镇
成果转化，请联系成果与合作处，联系人：王老师，联系电话：0771-3810467。