The potential of hydrogen hydrate as a future hydrogen storage medium
水合物作为未来储氢介质的潜力
氢被公认为“未来燃料”和最有前途的化石燃料替代品，因为它具有非凡的特性，包括单位质量能量含量极高（142 MJ/kg）、质量密度低以及巨大的环境和经济效益。已经研究了H2生产的各种方法，特别是无碳方法、H2纯化和H2储存，以使这种能源更接近技术部署。水合物是储氢最有趣的材料范例之一，因为它们具有吸引人的特性，如充电和放电的低能耗、安全性、成本效益和有利的环境特征。在这里，我们全面讨论了对氢包合物水合物的理解进展，重点是H2的充放电速率（即水合物的形成和离解速率）和储存容量。对水合物的相平衡及其在不同材料中的变化有了深入的了解。阐明了实现具有高存储容量的环境温度和压力氢电池的途径。我们认为，对于该存储介质的技术转换，H2在该存储介质中的充电速率和长循环性能比存储容量更为紧迫。这篇综述和展望为进一步创新氢燃料的前景奠定了基础。
图1 氢气净化技术
图2 储氢技术
图3 水合物结构
表1 不同促进剂的水合物形成速率
图4 水合物形成动力学
结论
在这篇综述中，我们对水合物在H2作为未来燃料的转化和利用中的关键作用提供了科学和经济的见解。水合物作为储氢介质在广泛的领域有着广阔的前景，尤其是作为汽车、飞机、船舶和航天器的动力源。在水合物的形成和储存过程中起主要作用的是温度、压力、促进剂材料和促进剂浓度。尽管可以在不使用促进剂的情况下以更高的容量值储存氢气，但这将需要苛刻的操作条件，包括超过100MPa的压力或低于190K的温度。为了在中等条件下通过水合物充入和排出H2，需要促进剂，但它们会大大降低储存容量。促进剂的有效性和不良影响在很大程度上取决于操作条件，如压力，最佳选择取决于系统的特性。然而，在温和的条件下，THF已被认为是最有效和最常用的水合物储存促进剂。存在助催化剂的最佳浓度，从而导致最大的水合物形成速率。该最佳浓度取决于促进剂的压力、温度和类型。除了储存能力外，促进剂的加入也对CO2/H2气体混合物中CO2的分离效率产生了积极影响。通过使用CP作为促进剂，可以实现大于90%的分离效率。
当前的挑战是存储容量、H2在该存储介质中的充电速率和长循环性能，而后两者是要求更高的问题。由于这些存储介质的形成动力学较低，材料系统中的长期分子动力学模拟和创新可以更好地理解上述问题，并为这种安全且极具前景的存储技术的转化铺平道路。
