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【Review】上海交通大学等，镁基固态氢贮存资料在含氢天然气中进行氢气分离的钻研

2026-04-10 13:14作者：Hresearch6390网址：https://doi.org/10.1016/j.rser.2026.116851浏览数:13次

2026年，上海交通大学林羲钻研员、邹建新教授团队等在Renewable and Sustainable Energy Reviews期刊颁发题为“Key strategies for hydrogen separation in hydrogen-blended natural gas using magnesium-based solid hydrogen storage materials: a review”的钻研论文，林羲钻研员、邹建新教授为论文共同通讯作者。

该钻研萦绕掺氢天然气中的氢气分离问题发展系统综述，聚焦镁基固态储氢资料在该领域的利用，全面探索了镁基储氢资料的储氢个性、天然气中杂质气体对其的中毒机造、相应的抗中毒战术与资料再生步骤，并设计优化了基于镁基储氢资料的氢气分离系统。钻研证实了镁基储氢资料在掺氢天然气终端氢气分离与纯化中的巨大利用潜力，为规�；饽芾玫幕∩枋┠烟馓峁┝舜葱滦越饩龉婊�，也为可持续氢能经济的成立奠定了理论与技术基础。

钻研内容

该钻研基于全球能源转型布景，针对掺氢天然气管路运输后氢气分离的主题技术需要，系统分析了传统氢气分离技术（变压吸附、低温蒸馏、膜分离）的技术参数、优弊端及合用场景，指出镁基储氢资料因高储氢容量（7.6 wt%）、优良的成本效益、选择性氢分离能力和固有纯化职能，成为掺氢天然气氢气分离的梦想资料。利用多种表征伎俩和尝试步骤，钻研明确了天然气中CH?、N?、CO、CO?、O?、H?O等杂质气体对镁基储氢资料的三种中毒机造——物理覆盖效应、竞争吸附效应、钝化层效应，并量化分析了分歧杂质气体对资料吸氢机能的影响法规。

钻研了局

钻研系统测试并对比了变压吸附（PSA）、低温蒸馏、膜分离（聚合物膜、钯膜）三种传统氢气分离技术的主题肠能参数。了局显示，PSA技术成熟且合用于大规模分离，可产出99.7~99.999%纯度氢气，但能耗达10~20 kWh/Kg H?，氢气回收率仅65%–90%，低氢浓度原料气会进一步提升其能耗；低温蒸馏的氢气回收率近乎100%，纯度可达99.999%以上，合用于大规模超高纯氢造备，但其能耗最高（15~30 kWh/Kg H?），设备投资与运行成本显著偏高；膜分离技术能耗最低（1.5~6 kWh/Kg H?），回收率超90%，其中聚合物膜仅能产出90-95%纯度氢气，适配中幼规模纯化，钯膜可实现99.999%高纯度氢，但成本高昂且仅合用于幼规模场景，而金属有机框架（MOFs）的出现为膜分离技术机能提升提供了新方

通过系列尝试量化了天然气中CH?、N?、CO、CO?、O?、H?O等杂质气体对分歧镁基储氢资料吸氢容量的影响。CH?作为天然气重要成分，仅产生物理覆盖效应，Mg-10%Ni在20 mol%H?+80 mol%CH?系统中36h吸氢容量仍达5.44wt%，与纯氢环境近乎一致；N?在低浓度下影响幽微，1 vol%N?对2LiNH?+MgH?系统吸氢机能无显著影响，但36 vol%N?会使AZ61合金0.5h吸氢容量降至2.5~2.8wt%，高镍含量镁基资料在高温下还会因N?与Ni反映形成氮化物导致机能衰退；CO与CO?对资料的毒害性显著，4 vol%CO?会使AZ61合金0.5h吸氢容量仅1wt%，0.1%CO会使2LiNH?+MgH?系统2.5h吸氢容量降至4.5wt%，且CO会导致部门镁基复合伙料机能不成逆衰减；O?出现双重效应，1000 ppm低浓度O?可形成MgO催化层提升资料吸氢机能，0.5 vol%高浓度O?则会使镁粉吸氢容量降落超20%；H?O同样兼具利弊，水活化的Ni@Mg(OH)?纳米片可使Mg?NiH?脱氢温度降低150°C，但500 ppm H?O会使Mg-Ni合金吸氢量降落20–30%，低镍含量合金受影响更显著；H?S也会显著降低资料机能，1500 ppm H?S会使ZK60合金1h吸氢容量降至3.7wt%。

钻研明确了杂质气体对镁基储氢资料的三类中毒机造，且各机造的影响水平逐级递增。一是物理覆盖效应，所有杂质气体均会因资料对氢的选择性吸附而在资料表表富集，形成“气体富集层”故障氢分子扩散，该效应为纯物理景象，与资料类型、杂质气体种类无关，仅随杂质浓度升高而加强；二是竞争吸附效应，CO、CO?、O?、H?O等气体对镁基资料表表的吸附能力强于氢，会优先占据活性催化位点，抑造氢分子的吸附与解离，其中CO在镁粉表表的吸附覆盖效应尤为显著；三是钝化层效应，CO?、O?、H?O等活性气体味与Mg/MgH?发生化学反映，形成MgO、MgCO?、Mg(OH)?等钝化层，不仅故障氢原子扩散，还会导致资料储氢容量不成逆衰减，而N?仅在高温下与特定镁基资料反映、CO仅与部门镁基复合伙料反映，才会产生该效应。分歧杂质气体的作用机造各有侧重，CH?仅存在物理覆盖效应，N?以物理覆盖效应为主，CO、CO?、O?、H?O则兼具三类效应（部门为前提性）。

针对三类中毒机造，钻研提出的抗中毒战术均获得显著成效。在解除物理覆盖效应方面，通过提高氢压、降低杂质浓度、引入气体扰动（动态多步加氢、气体循环）、优化反映器摆放方式、增大气罐体积等措施，可有效突破杂质气体的表表富集层，如ZrCo合金在3 mol%CH?系统中，动态加氢模式下0.4h即可达到吸氢鼓和，远优于静态加氢模式；在提升资料化学不变性方面，元素掺杂与合金化可显著加强抗中毒能力，Na掺杂可使Mg-45%Ni合金在0.5 mol%N?系统中3.5h吸氢容量达3.88wt%，而未掺杂合金无氢化物天生，Fe、Al等元素掺杂也可提升资料抗氧化性；化学表表处置中，Pd涂层可实现氢的选择性透过并催化氢解离，MgF?涂层则能有效阻隔CO、CO?与资料基体接触，氟改性后的MgNi?.?Fe?.??Ti?.??在CO?预处置后仍维持14.49 mmol g??的吸氢容量，而未改性合金险些失落吸氢能力；构建分级结构复合伙料（如Mg@C@Pd核壳结构、Mg-PMMA复合系统）可形成物理樊篱，PMMA涂层的镁纳米颗粒在空气中露出一周仍无氧化层天生；优化造备工艺如差速轧造，9:3速比处置的ZK60合金对H?S的抗中毒能力显著优于6:3速比处置的合金，在1500 ppm H?S系统中机能衰减幅度更幼。

钻研针对分歧中毒机造造订了差距化再生战术，且验证了各战术的有效性。针对物理覆盖效应，只需移除资料表表富集的杂质气体，资料即可急剧复原正常吸氢机能；针对竞争吸附效应，通过真空高温处置或纯氢中吸-脱附循环，可去除资料表表吸附的杂质气体，如CO中毒的资料经5次纯氢吸-脱附循环后，机能复原至原始水平的96.62%；针对钝化层效应，因形成的MgO、MgS等钝化层热力学不变性高，仅靠热再生成效有限（H?S中毒资料热再生后机能仅复原58.59%），需通过球磨、重熔等机械/化学步骤突破钝化层，能力实现资料机能的有效复原。

钻研设计了由两个异步运行反映器组成的氢气分离系统，明确了中温吸氢、低温吹扫、高温放氢三个主题阶段的运行流程，实现了氢气的陆续分离与纯化�；谧柿匣∈萦牍こ痰览淼钠拦懒司窒允�，该系统的氢产品纯度理论上可达到99.999%以上，甚至优于传统PSA技术，这源于镁基资料对氢的超高选择性；以典型管路压力7 MPa、300°C下镁基资料氢吸附平衡压力2 bar推算，系统理论氢回收率约85%，若在反映器床层结尾填充低平衡压力资料，回收率可提升至95%以上；系统能耗重要源于反映床的加扰纂温度节造，虽高于膜分离技术，但通过利用工业余热、回收资料吸氢过程开释的热量，结合先进热治理系统，可显著降低能耗。

钻研从工艺参数、资料选型、热治理三方面实现系统优化，明确了各优化措施的作用成效。工艺参数优化中，构建反映器轴向非均匀温度�。ㄈ肟诟呶绿嵘ρА⒊隹诘臀绿嵘厥章剩⑵ヅ渥罴言掀魉伲ㄔし拦叩贾挛獠怀浞帧⒐徒档拖低承埽⒂呕膊憧紫堵剩ㄌ嵘却市埽�，可实现系统分离效能的显著提升；资料选型优化中，在反映器分歧轴向地位填充实歧成分的镁基合金（利用其平台压力差距），可实现氢的梯级高效吸附；热治理优化中，引入潜热储能系统（以熔盐为储能介质，调控温度至300°C左右），回收资料吸氢（放热）过程的热量用于放氢（吸热）阶段，可大幅降低系统的表部能源亏损，提升能源利用效能。

图1：氢能全产业链示意图

图2：现有传统氢气分离技术的短处及镁基金属氢化物氢气分离技术道理示意图

图3：杂质气体对镁基储氢资料的三种中毒机造示意图

图4：分歧前提下，二氧化碳与氢化镁加氢天生烃类的反映过程示意图

图5：氧化物在氢化镁基资料吸放氢动力学过程中的作用示意图

图6：(a) 氢化镁镍钝化及表表氧化形成表层的示意图。(b、c) 两种分歧的脱氢过程：(b) 氢原子仅能通过氧化态未水活化氢化镁镍表层的裂纹渗入，从氧化表表解吸；(c) 空位介导氢溢流效应显著推进水活化氢化镁镍的脱氢过程，氢原子沿氢氧化镁纳米片表表的质子空位梯度从氢化物向镍纳米颗粒扩散，并在镍纳米颗粒上解吸为氢气。(d) 循环后水活化氢化镁镍的法式升温脱附曲线；(e) 循环后未水活化氢化镁镍经空气露出1幼时后的法式升温脱附曲线

图7：(a)、(b)、(c) 物理覆盖效应的形成机理示意图。(d) 分歧加氢背压和氩气杂质浓度下，锆钴合金与钯在氢氩混合气体中的归一化加氢动力学曲线。(e) 锆钴合金在3摩尔%甲烷混合气体中的动态多步加氢与静态加氢动力学曲线；(f) 反映器正放与颠倒的示意图及(g)锆钴合金在1.2巴、3摩尔%甲烷混合气体中对应的加氢动力学曲线；(h)气体循环过程的示意图；(i) 气体循环对锆钴合金在1.2bar、97mol%氢气+1 mol%氦气+1 mol%氮气+1 mol%甲烷四元混合气体中加氢动力学的影响；(k) 锆钴合金在1.2bar的上述混合气体中，静态或动态气体循环前提下加氢0.3幼时后的X射线衍射分析图谱

图8：提升镁基储氢资料化学不变性的四种典型步骤

图11：(a) 储氢复合伙料示意图：高容量镁纳米晶被择形透气聚合物包覆。(b) 合成态镁纳米晶/聚甲基丙烯酸甲酯复合伙料的透射电镜照片。(c) 镁纳米晶/聚甲基丙烯酸甲酯复合伙料的X射线衍射图谱：合成态与空气露出三天后。(d)镁@碳@钯核壳结构及其�；せ硎疽馔�。(e) 氢化镁@钴@碳核壳结构示意图

结论与瞻望

在氢能领域，若何高效、低成本地实现氢气纯化仍是一项颇具挑战性的课题。变压吸附、低温蒸馏、膜过滤等传统氢气分离步骤在纯度、能耗、成本及不变性方面均存在局限性。为此，本文提出以镁基储氢资料作为极具潜力的氢气分离代替规划，该类资料兼具成本效益与高储氢容量（最高可达7.6wt%）。本文通过调查三方面钻研内容，验证了镁基储氢资料用于氢气分离的可行性：一是资料在含杂质混合气体中的吸氢行为，二是资料针对各类杂质的抗中毒战术，三是基于该资料的氢气分离纯化系统设计。本文的分析了局证实，镁基储氢系统合用于掺氢天然气的终端氢气分离。最后，为美满这一基于资料的氢气纯化技术，本文提出以下发展瞻望：

1. 为镁基储氢资料研发更高效的抗中毒战术，重点提升其在成分复杂的掺氢天然气系统中的吸氢机能。主题技术伎俩蕴含设计原子尺度的表表改性规划（如催化涂层、纳米结构阻隔层），实现对硫化氢、一氧化碳、二氧化碳、水等常见杂质吸附的选择性阻隔；同时开发多组元合金系统，在保障资料储氢容量关键指标超7.0wt%的前提下，加强其固有抗中毒能力。

2. 优化基于镁基储氢资料的氢气分离纯化系统关键参数。需精正确定系统三个主题阶段的操作温度：吸氢阶段的温度需两全从混合气体中急剧吸氢的需要，同时最大限度降低残存氢气含量；吹扫阶段需选取尽可能低的温度，预防氢气提前解吸，同时保障杂质脱除成效；解吸阶段的温度需平衡调控，既要达到足够温度以实现急剧释氢，又要预防温度过高造成能耗激增。同时，需优化反映器内混合气体的流速，将流速节造在特定领域内，确保资料充分吸氢——流速过高会造成氢气浪费，流速过低则会大幅降低系统效能。此表，为推动氢-热耦合系统的研发过程，需配置合适的储热系统，网络并贮存吸氢阶段开释的热量，供后续解吸阶段使用。

文章信息

Liu Zheyu, Wang Xusheng, Du Hao, Wang Yanyue, Lin Xi, Zou Jianxin. Key strategies for hydrogen separation in hydrogen-blended natural gas using magnesium-based solid hydrogen storage materials: a review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2026 (234) 116851. 论文DOI链接：https://doi.org/10.1016/j.rser.2026.116851

本文转自【储氢资料科技进展】，分享主张在于传递更多信息。如有版权问题，请联系威廉希尔官网处置。

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