氢的生产、储存和运输的相关进展

大家似乎不喜欢长篇大论，那我就给总结一下

《Hydrogen production, storage, and transportation: recent advances》是一篇发表于《RSC Advances》的综述，详细介绍了氢的生产、储存和运输的相关进展，具体内容总结如下：

一、引言- 氢的优势：

氢是未来经济中极具潜力的清洁能源，储量丰富（占宇宙中所有原子的90%以上）、能量含量高（是已知燃料中最高的）、可持续、无毒且环保（燃烧产物仅为水）。

- 氢的应用：可应用于交通运输、燃料电池发电系统、涡轮机或内燃机等领域，目前处于研发早期阶段。

- 氢的生产来源：包括非可再生能源（如煤炭、天然气和核能）和可再生能源（如水电、风电、太阳能、生物质能和地热能）。

- 氢的储存挑战：氢密度极低，储存困难，需要高压、低温或化学反应等极端条件，且储存成本高昂。

二、氢经济概述- 定义与发展：

氢经济是以氢为主要能源载体的理论概念，由John Bockris于1970年提出，目前正处于转折点。

- 发展阶段：包括氢的生产、运输和储存三个阶段，政府致力于降低成本，但该经济的发展需具备经济和能源可行性，且需要全新的分布系统。

- 优势与意义：氢作为清洁能源，具有能量存储能力强、可持续、减少污染等优势，有助于解决全球环境、资源、能源等问题，促进经济的可持续发展。

- 可用性和生产：氢在宇宙中常见，但在地球大气中含量极少（约500ppm），主要存在于水和碳氢化合物中。目前氢主要来自化石燃料，特别是天然气，也可来自电力（如可再生能源或电网）。未来，太阳能和生物质能有望更直接地用于生产氢，结合各种绿色途径可减少温室气体排放。2011年，全球主要能源供应和发电情况以及能源需求趋势表明，化石燃料难以满足未来能源需求，且会带来大量二氧化碳排放，而可再生能源的发展势头良好。清洁氢备受关注，目前有四种生产技术，包括PEM、AWE、SOEC和AEM，未来需要更经济可行的低或零碳排放的制氢技术。此外，天然地下氢具有潜力，但含量相对较低，需要进一步了解其分布、来源和存在方式。

三、氢储存- 储存形式和研究现状：

氢可以气态、液态和固态形式储存，目前关于氢储存的研究众多，因其对发展氢能至关重要，有助于满足能源需求和应对气候变化。

- 储存方法：

   - 气态氢储存：使用高压容器储存氢气，适用于大规模和长距离情况。全球工业设定的气缸最新目标为70MPa、质量110kg，气态氢可存储在四种类型的压力容器中，根据最终应用选择，工业应用常用Type I罐，Type II主要用于固定式应用，Type III和Type IV用于便携式应用，但价格昂贵。此外，还有地下氢储存的研究，适用于大规模气态氢储存。该方法的优点包括氢气速度快、技术相对成熟、常温运行和成本低，但氢气容易逃逸，且需考虑压力气缸的安全问题。

   - 液态氢储存：将氢气压缩、冷却至21K（ - 252.15°C）并储存在特殊绝热真空容器中，如21.2K（ - 251.95°C）和环境压力下的低温储罐。其优点是体积密度高（70.8kg / m³），但面临能量高效液化和低温储罐热绝缘以减少氢蒸发的挑战，同时存在高能耗、高成本、泄漏风险以及仅适用于氢成本不是重要因素且消耗较快的情况。

   - 固态氢储存：通过物理吸附或化学吸附过程储存氢，具有高储存容量、安全运输和良好经济性等优点，但需要更多的研究。- 物理吸附过程：氢分子通过范德华相互作用吸附在固体表面，如碳基材料（金属 - 有机框架、纤维、富勒烯、活性炭、沸石和聚合物）。该过程在低温（273K（ - 0.15°C））下明显，受分子极化性和吸附剂表面积影响，具有可逆性。通过气体吸附等温线等技术研究，发现常温下氢储存容量低，且与吸附剂的比表面积相关。

- 化学吸附过程：涉及被吸附分子与吸附剂表面之间化学键的形成，需要更大的活化能。例如，氢在金属表面的吸附，形成新的氢化物相（如MgH₂）。化学吸附过程依赖于吸附剂表面的活性位点，一些新型固体材料（如金属氢化物、轻金属基氢化物和复杂氢化物）因其安全有效的氢化学吸附特性和高氢密度而备受关注。   

- 金属氢化物：由氢与金属、金属间化合物和合金反应形成，可在金属晶格的间隙位置储存原子氢，比压缩气体或液态氢储存更安全。但在常温下物理氢储存材料氢储存容量低，动力学缓慢，发展高氢储存容量和低约束的氢储存材料是氢能产业发展的挑战。理想的氢储存材料应具有适度的解离压力和温度、高氢容量、可逆性、低形成热、安全性、可循环性、快速动力学、高稳定性和低能量损失等特性。轻金属（如Li、Be、Na、Mg、B和Al）因其低重量和高氢原子密度而备受关注，不同金属氢化物材料的氢储存和压缩系统性能有所不同，但其应用受到一些限制，如能量密度、重量、成本、安全性、氢气纯度、热管理和效率等问题，目前正在开发不同的性能增强方法来解决这些问题。

   - 轻金属基氢化物：包括金属氢化物和复杂氢化物，具有高重量和体积密度，是车载应用的最有前途的候选材料之一，但存在热力学稳定性高、动力学性能差、氢脱附温度高和可逆性差等问题。通过掺杂和纳米化等技术可提高其再生过程和动力学性能，但仍需进一步研究以满足车载应用的要求（包括动力学、热力学和容量性能）。 

化学氢化物（复杂氢化物）：由轻金属（如Li、Mg、B和Al）形成，与金属氢化物的主要区别是金属在吸氢时转化为离子或共价化合物。复杂氢化物（如硼烷的四氢硼酸盐和铝烷的四氢铝酸盐）的氢密度过高，但常存在热力学、动力学性能差和可逆性受限等问题。研究发现钛催化的NaAlH₄具有可逆性，拓宽了对复杂氢化物的研究，包括基于氮的化合物（如LiNH₂）和金属硼氢化物（如LiBH₄）。理解复杂氢化物的稳定性需要深入了解热力学，包括温度（T）、压力（P）和吉布斯自由能（G）等参数的关系。

四、多层薄膜的最新进展- 薄膜的应用和重要性：

薄膜在许多现代技术中至关重要，如包装、航空航天和有机电子等领域。不同的沉积技术可用于生产薄膜，以改善固体表面性能，实现特定的机械、电气或光学行为。薄膜工程已从科学新奇发展成为一个价值数十亿欧元的全球产业，不断有新的生产技术和前沿方法推出，以创造新型薄膜和独特的纳米结构薄膜。

- 多层薄膜与氢储存：与传统的物理吸附不同，氢可以被保持在多层材料的层间区域。理论研究表明，多层石墨烯的层间间距会影响氢吸附焓，间距小的石墨烯氢吸附焓更大。二维材料的层间空间具有量子筛分效应，有助于实现纳米泵效应。例如，在300K和4MPa的温和压力下，多层和介孔石墨烯可可逆储存4.65%（重量百分比）的氢；在77K和100bar H₂下，石墨烯气泡的氢储存容量可达13.7%（重量百分比）；在298K和60bar下，层间距为0.68nm的Ti₂CTₓ的储存容量为8.8%（重量百分比）。此外，许多其他多层材料（如蒙脱石、MoS₂、BN等）也可能具有类似的氢储存能力，但需要进一步研究确定合适的层间距离和表面官能团。多个研究小组致力于合成适合氢储存的多层系统，例如Ouyang等人研究了MgNi / Pd多层薄膜的氢储存性能，发现Pd层可作为催化剂提高氢储存性能；Tarnawski等人研究了Ti - TiO₂多层膜的氢储存和光催化性能；Jung等人研究了Ti中间层对Mg / Pd多层薄膜微观结构和氢储存容量的影响；Mooij等人研究了Mg / Fe多层薄膜的微观结构对氢化的影响；Jung等人还利用Pd的催化作用提高了Pd / Ti / Mg / Ti薄膜的氢储存性能。此外，固态氢储存材料的发展是近年来氢储存技术的重要进展。

五、结论

氢是一种清洁、可持续且经济可行的未来能源载体，但氢的储存仍是其融入全球经济的主要障碍。金属氢化物固态储存系统是目前