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氫是一種非常重要的化學(xué)元素，具有廣泛的用途。氫氣主要用途是合成氨工業(yè)，據(jù)統(tǒng)計(jì)近年來在我國，合成氨使用的氫氣約占?xì)錃饪傁牧康?0%以上，合成氨用的氫氣大部分是天然氣、石油或重油蒸汽轉(zhuǎn)化或部分氧化制取。同時(shí)，氫氣作為可再生能源包括風(fēng)電、水電、光伏發(fā)電等的能源載體，在這些可再生能源和電能之間建立起了一座儲運(yùn)的橋梁，起著電網(wǎng)消納調(diào)節(jié)功能。此外，在半導(dǎo)體行業(yè)，高純氫氣發(fā)揮重要作用，在晶體的生長與襯底制備、氧化工藝、外延工藝中以及化學(xué)氣相沉積技術(shù)中，均需要用到氫氣。半導(dǎo)體工業(yè)對氫氣存度要求極高，微量雜質(zhì)的摻入會改變半導(dǎo)體的表面特性。

制氫與儲氫

氫能屬于二次能源，需要通過各種一次能源制取，其中包括礦物燃料、核能、太陽能、水能、風(fēng)能及海洋能等。目前有五種主要的制氫方式：礦物燃料制氫（灰氫）、工業(yè)副產(chǎn)物制氫、電解水制氫、生物質(zhì)制氫及太陽能制氫（綠氫）。

圖1：氫的分類

以煤、石油、天然氣為原料制備氫氣是主流的制氫工藝，制氫產(chǎn)量大且技術(shù)成熟，也是當(dāng)前氫的主要來源。電解水制氫則可以說“最捷徑”的方法，傳統(tǒng)的電解水制氫方法耗電太多，成本高，故該方法在制氫行業(yè)中所占的比例小。目前電解水制氫技術(shù)中，根據(jù)電解槽隔膜材料的不同，主要分為堿性電解水制氫(AE)、質(zhì)子交換膜電解水制氫(PEM)和高溫固態(tài)氧化物制氫(SOEC)這三種。直接利用太陽能分解水制氫是最具吸引力的制氫途徑，1972年日本科學(xué)家藤嶼和本多在《科學(xué)》雜志上發(fā)表TiO2電極上的光解水產(chǎn)氫的論文，說明光照TiO2電極可以導(dǎo)致水分解從而產(chǎn)生氫氣，該研究首次揭示了將太陽能直接轉(zhuǎn)換為氫和氧的可能性。現(xiàn)在光電化學(xué)分解水制氫以及隨后發(fā)展起來的光催化分解水制氫已成為全世界關(guān)注的熱點(diǎn)。

圖2：制氫、儲氫、用氫示意圖

氫氣可以被冷卻到低溫，作為液體儲存，或者壓縮到高壓、在接近環(huán)境溫度時(shí)作為氣體儲存。此外，它可以以化學(xué)形式儲存在富氫液體和固體中，或者以分子或原子形式儲存在固態(tài)材料中。其中安全性好、高密度且輕質(zhì)的固態(tài)儲氫材料是當(dāng)前儲氫領(lǐng)域研究的重點(diǎn)問題。

萊馳球磨儀在制氫催化劑與儲氫材料制備上的應(yīng)用

萊馳球磨儀可用于制氫光催化劑制備

如前所述，光催化分解水制氫具有清潔無污染的優(yōu)點(diǎn)，是目前全世界研究的熱點(diǎn)。催化劑在太陽光的作用下，半導(dǎo)體的價(jià)帶VB上的電子受到光能激發(fā)越過禁帶進(jìn)入導(dǎo)帶CB，產(chǎn)生空穴和自由電子，兩者分離形成載流子并逐漸遷移到催化劑表面，在表面發(fā)生氧化和還原反應(yīng)產(chǎn)生氧氣和氫氣，并在催化劑表面析出。常見的光催化劑有TiO2 、過渡金屬硫化物及石墨相氮化碳g-C3N4等，目前光催化分解水制氫依然受到析氫效率、成本因素以及繁雜的催化劑構(gòu)建方法的制約，具有更高析氫效率的光催化劑依舊是研究者需要重點(diǎn)關(guān)注的方向。

光催化劑的顆粒大小對催化劑的效果有著顯著的影響，一般而言，顆粒越小比表面積越大，催化效果越好。萊馳球磨儀不但可以用于制備納米級的TiO2，也可以用于TiO2復(fù)合光催化劑的制備來改善催化劑的性能。以下圖片是Retsch球磨儀研磨TiO2粉末示例【參數(shù)：進(jìn)樣尺寸:3um | 批次處理量:10g | 時(shí)間:30/120min | 工作頻率:35Hz | 配置:氧化鋯研磨罐125ml氧化鋯研磨球0.1mm 75ml | 分散劑:六偏磷酸鈉 | 出樣細(xì)度:120nm/90nm】。

圖3：用萊馳球磨儀制備納米級TiO2

萊馳球磨儀可用于固態(tài)儲氫材料制備

潛在的固態(tài)儲氫材料有很多種，包括微孔材料、金屬氫化物及復(fù)合氫化物。在微孔內(nèi)，氫氣被有效地壓縮到高密度，與相同溫度和壓力下的自由氣體相比，氫的體積密度明顯增加。屬于這一類別的材料包括活性炭、分子篩、金屬有機(jī)框架MOFs和微孔有機(jī)聚合物。金屬氫化物可將氫原子儲存在材料中，氫氣分子在材料表面分裂成氫原子，然后擴(kuò)散到材料體內(nèi)，大量金屬化合物以這種方式吸收氫。將高熵合金引入儲氫合金方向的研究是近年來的熱點(diǎn)之一，高容量輕質(zhì)儲氫材料研發(fā)主要著眼于多主元高熵合金的儲氫性能，Mg-Ti合金因Mg 和Ti 均為輕質(zhì)的吸氫元素且其形成的氫化物具有高的質(zhì)量儲氫密度，被視作高容量輕質(zhì)儲氫材料的候選之一。

用機(jī)械球磨法在實(shí)驗(yàn)室制備新型固態(tài)儲氫材料是萊馳高能球磨儀在這一領(lǐng)域的最主要應(yīng)用，這一應(yīng)用主要源于機(jī)械合金化，在研磨球的高能撞擊和擠壓下，細(xì)粉顆粒發(fā)生塑性形變并焊合在一起，從而制備出更大自由度混合比的樣品。無論是用機(jī)械能將金屬離子和有機(jī)配位體混合使其在固定條件下形成MOFs，還是多種元素混合制成高熵合金，萊馳高能球磨儀都能在新材料制備中助您一臂之力。

針對萊馳球磨儀MM400在金屬有機(jī)框架合成上的應(yīng)用，我們曾發(fā)表專題文章，詳細(xì)介紹了MM400如何用濕法研磨法快速合成了MOFs材料的原理，原文文章內(nèi)容請見：“前沿應(yīng)用 | Retsch MM400助力金屬有機(jī)框架材料合成”。

同時(shí)，對球磨儀制備Mg-Ti高熵合金時(shí)應(yīng)注意的問題我們也曾發(fā)表過專題文章：“為什么要選擇萊馳球磨儀進(jìn)行高熵儲氫合金制備？”值得注意的是在制備的過程中，由于球磨時(shí)間太長，Mg有被氧化的可能性，進(jìn)而可能會影響到實(shí)驗(yàn)結(jié)果即合金的吸氫性。因此，采用機(jī)械密封性能更好、能量更高且同時(shí)能在實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行氣氛保護(hù)的球磨設(shè)備是更好的選擇。萊馳球磨儀的通氣頂蓋設(shè)計(jì)可以用來進(jìn)行需要?dú)夥毡Ｗo(hù)的實(shí)驗(yàn)，在我們推薦兩款萊馳高能球磨儀產(chǎn)品來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室的高熵合金制備。

圖4：萊馳高能球磨儀EMAX

地球上淡水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有海水多，現(xiàn)階段的技術(shù)都是利用淡水電解制氫。如果可以直接利用海水制氫，實(shí)現(xiàn)咸水制氫，在催化劑、離子膜等幾個(gè)關(guān)鍵材料問題上實(shí)現(xiàn)突破，那大海就變成“氫礦”了。展望未來，隨著可再生能源制氫的產(chǎn)業(yè)化、大規(guī)模輸氫儲氫方式的突破尤其是固態(tài)儲氫材料的發(fā)展，氫能將更加深刻地改變我們的生活。弗爾德萊馳也將繼續(xù)在光催化劑合成制備和固態(tài)儲氫新材料的制備上獻(xiàn)上自己的綿薄之力，在接下來的文章中，我們還將對催化劑制備做具體的應(yīng)用介紹，敬請期待。

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