李 莹

(中石化安全工程研究院有限公司化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛 266104)

0 前言

储氢是限制氢燃料电池汽车广泛应用的主要瓶颈之一。为了确保与传统机动车辆具有相似的行驶距离，车载存储系统应具有最小的体积和重量。这就要求开发能够在实际可行和经济可行的条件下可逆储存大量氢气(重量/体积)的材料。氢气可以通过液化、高压压缩和固体吸附等方式储存。然而，液体储氢需要在-253 ℃低温条件下，使用大型、昂贵、绝缘良好的系统来维持低温，液化成本较高；高压储氢(35～70 MPa)需要重型、昂贵的储罐压缩存储氢气。这两种存储技术能量消耗高，也存在严重的安全风险。从经济性和安全性角度来看，固体材料吸附储氢比液态储氢和压缩储氢更具优势。

固体吸附储氢方面，化学储氢主要是利用碱金属(Li、Na、K等)或碱土金属(Mg、Ca等)与氢气形成配位氢化物进行储氢。虽然这些氢化物在接近室温的情况下具有大量的重量和体积储氢容量，但它们存在可逆性差、动力学慢和操作温度高(通常超过373 K)的问题。物理储氢主要是利用活性炭、分子筛、金属有机骨架(MOFs)等多孔材料通过较弱的范德华力吸附氢气，具有高度可逆性、动力学快的特点，在低温(77 K)和几兆帕的压力下可以实现显著的储存容量，但在接近环境条件下，重量和体积储氢量较低。2020年，美国能源部(DOE)车载储氢系统的目标是在-40～60 ℃、<10 MPa的条件下，重量和体积储氢量分别为5.5%(质量分数，下同)和40 g/L。目前现有的储氢材料均不能满足车载应用所需的所有指标。

1 MOFs储氢材料及影响因素

与传统多孔材料相比，MOFs储氢材料具有极高的比表面积(实验值高达7 140 m/g，理论极限为14 600 m/g)、超高孔隙率(高达90%的自由体积)、可调节的孔径和可修饰的内表面，在氢气储存方面有着广泛的应用前景。……