儲氫材料(Hydrogen storage material)

儲氫材料(Hydrogen storage material)
國立臺灣師範大學附屬高級中學學生蔡韶恬/國立臺灣師範大學附屬高級中學化學科陳昭錦老師

氫能具有乾淨、無汙染及熱值高等優點，安全的儲存和運輸是氫能利用的關鍵。儲氫材料(hydrogen storage material)是一類能可逆地吸收和釋放氫氣的材料，例如錯合物儲氫材料，其儲氫原理是，將鹼金屬和氫反應生成離子型氫化物，氫化物受熱又可分解放出氫氣。無機化合物氫化鋰 $$\mathrm{(LiH)}$$、胺基鋰 $$\mathrm{(LiNH_2)}$$、亞胺基鋰 $$\mathrm{(Li_2NH)}$$ 都是具有發展潛力的儲氫材料。

氫化鋰 $$\mathrm{(LiH)}$$

氫化鋰(Lithium hydride)是外觀為無色固體的無機化合物，若含有雜質則呈灰色。製備方法是將鋰金屬與氫氣在高溫下反應，在 $$600^\circ C$$ 以上時反應速率特別快。

$$\mathrm{2Li+H_2\rightarrow 2LiH}$$

氫化鋰分子量還不到 $$8$$，是最輕的離子化合物。具有高熔點 $$(688.7^\circ C)$$，可與水反應產生氫氣，不溶於乙醇或丙酮中。氫化鋰與水及其他質子化試劑(protic reagents)具極佳反應性，但不如鋰金屬，因此對水、乙醇而言，氫化鋰是比較溫和的還原劑。

$$\mathrm{LiH+H_2O\rightarrow LiOH+H_2}$$

氫化鋰中的氫含量比率是氫化鈉的三倍，居所有氫化物之冠。氫化鋰在儲氫方面頗受關注，但其應用往往受阻於此材料的穩定性，此因欲從氫化鋰中移除氫需要極高溫度，甚至高於合成時所需的 $$700^\circ C$$ 高溫。此化合物曾被應用在模型火箭中，檢測其作為燃料成分的可行性。

胺基鋰 $$\mathrm{(LiNH_2)}$$

胺基鋰(Lithium amide)是由鋰離子 $$(\mathrm{Li^+})$$ 和氨的共軛鹼胺基陰離子 $$\mathrm{({NH_2}^-)}$$ 構成離子化合物，外觀為白色固體，其晶體結構為四方晶系。

胺基鋰可由液態氨與金屬鋰反應而得：

$$\mathrm{2Li+2NH_3\rightarrow 2LiNH_2+H_2}~(400^\circ C)$$

胺類的鋰鹽(Lithium amides)亦可由類似的方法來製備，如二級胺的鋰鹽：

$$\mathrm{2Li+2R_2NH\rightarrow 2LiNR_2+H_2}$$

胺類的鋰鹽化學反應性極佳，可作為強鹼。只要氮原子未受限於立體障礙，它們亦可作為親核試劑。

亞胺基鋰 $$\mathrm{(Li_2NH)}$$

亞胺基鋰(Lithium imide)外觀為白色固體，受陽光照射下會轉為磚紅色，若在真空下加熱分解，可得到胺基鋰與氮化鋰的白色混合物。若在高於 $$500^\circ C$$ 時分解，則會得到氮化鋰與氨氣。

$$\mathrm{2Li_2NH\rightarrow LiNH_2+Li_3N}$$

$$\mathrm{3Li_2NH\rightarrow 2Li_3N+NH_3}~(T>500^\circ C)$$

 亞胺基鋰的製備方法是將胺基鋰加熱分解：

$$\mathrm{2LiNH_2\rightarrow Li_2NH+NH_3}~(400\sim 500^\circ C)$$

亞胺基鋰是一種強鹼，可與酸、水及多種有機化合物反應：

$$\mathrm{Li_2NH+2H_2O}$$(冷)$$\mathrm{\rightarrow 2LiOH+NH_3}$$

$$\mathrm{Li_2NH+HCl}$$(稀)$$\mathrm{\rightarrow LiCl+NH_4Cl}$$

$$\mathrm{Li_2NH+H_2\rightarrow LiNH_2+LiH}~(250\sim 350^\circ C)$$

應用

將 $$\mathrm{LiNH_2}$$ 與 $$\mathrm{LiH}$$ 混合可強化其釋氫效果，研究發現其釋氫反應分為下列三步驟進行：

$$\mathrm{2LiNH_2\rightleftharpoons Li_2NH+NH_3}$$

$$\mathrm{NH_3+LiH\rightleftharpoons LiNH_2+H_2}$$

$$\mathrm{Li_2NH+LiH\rightleftharpoons Li_3N+N_2}$$

參考資料：

1. Lithium hydride。檢索日期 2014.8.6，http://en.wikipedia.org/wiki/LiH
2. Lithium amide。檢索日期 2014.8.10，http://en.wikipedia.org/wiki/Lithium_amide
3. Lithium imide。檢索日期 2014.8.12，http://en.wikipedia.org/wiki/Lithium_imide
4. http://www.allreactions.com/index.php/group-1a/lithium-li/lithium-imide-li2nh，檢索日期2014.8.15