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基于铝水反应的新型制氢复合材料研究

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基于铝水反应的新型制氢复合材料研究 王爽 ,孙立贤 , f1.中国科学院大连化学物理研究所,辽宁大连116023;2.桂林电子科技大学材料科学与工程学院广西新能源材料结 构号性能协同创新中心广西信息材料重点实验室,广西桂林541004) 摘要:研究了铝基复合材料在铝水反应过程中的制氢性能,所用的铝基复合材料由高能机械球磨法制备。发现在 AI—Bi—NaCI体系中添加少量的碱金属(锂、钠、钾)或氢化物(LiAIH 、LiBH )后,材料在室温下纯水中的放氢量和放氢速率 都有了很大提高,通过调整掺杂物的种类和添加量,得到性能相对最佳的铝基复合材料拥有高达2 O16 mU(min・g)的 初始放氢速率。并且能在1 min内放出几乎全部的理论产氢量。 关键词:制氢:铝基材料;球磨;铝水反应 中图分类号:TM 91 1.4 文献标识码:A 文章编号:1 002—087 X(201 5)o5—0925—03 Studies on novel composites materials for hydrogen generation based on hydrolysis reaction WANG Shuang .SUN Li—xian , rJ.DalianInstitute ofChemicalPhysics,CAS,DalianLiaoning116023,China;2.GuangxiKeyLaboratoryofInformationLaboratory,Guangxi Collaborative Innovation Center ofStructure and Property for New Energy Materials,School ofMaterial Science&Engineering,Guilin University ofElectronic Technology,Guilin Guangxi 541004,China) Abstract:The performance of hydrogen generation for new AI-based materials during hydrolysis reaction was investigated.The composites were prepared by high energy ball milling.By adding several kinds of alkali metals (such as Li,Na,K,etc.)and complex hydrides(such as LiAIH4,LiBH4,etc.)into the Al—Bi—NaCl composites,it is found that the kinetics and yield in hydrolysis reaction with pure water at room temperature improve.The optimized AI alloy(AI-Bi-NaCI-LiAIH4)demonstrates a high initial hydrogen generation rate【2 01 6 mL/(min。g)】and could release all the theoretic hydrogen in 1 min. Key words:hydrogen generation;AI-based material;ball milling;hydrolysis reaction 随着化石燃料的不断消耗和对环境威胁的加剧,洁净无 污染的氢能利用技术以令人惊奇的速度快速发展…。直接压缩 低温液氢法储氢能力较强,但储存和运输过程中的液氢气化、 泄露等问题严重制约了其在民用领域的推广。其他常用的储 氢方法如金属氢化物储氢、碳纳米管储氢、金属有机化合物储 氢等依然存在循环稳定性和热力学性能差等缺陷,无法满足 现实需求[2l。而近年来受到关注的硼氢化钠水解制氢虽然有着 储氢量高、产氢纯度高等优点,但是其价格昂贵、催化剂易中 应置换出氢气,水解过程安全稳定,氢气纯度高,无有毒气体 产生,清洁无污染,同时具有很高的理论产氢量(1 245 mL儋)。 虽然铝水反应在热力学意义上能够自发进行,但是新鲜的铝 表面会迅速生成一层致密的氧化膜,阻止水解反应的进一步 进行。所以如何破除这层氧化膜,是铝基水解制氢材料在室温 下应用的关键问题。向反应系统中加入碱是一个促进反应进 行的简单而有效的办法 1,而碱溶液的运用将对装置设备和 使用人员造成潜在的危害,需要进一步的工作来改善这个问 毒等缺陷却阻碍了其进一步的推广应用嘲。与其他制氢手段相 比较,金属水解制氢具有能量密度大,单位质量体积小,易保 存易运输等优点,是一种很有潜力的制氢方式。其中,金属铝 原料资源丰富,价格低廉,有利于大量生产和推广。铝与水反 收稿日期:2014—10—22 题。Soler[”]等人报道了一种使用铝在海水中悬浮铝酸钠溶液 的制氢系统。结果表明,当使用NaAIO:和Na2SnO 代替NaOH 在铝水反应中的催化作用时,在同样的pH条件下,使用 NazSnO3代替NaOH能提高氢气的产生速率I 8l。Dai[91等人将 Na0H和Na SnO 的组合使用,有效提高了铝水反应系统的产 基金项目:国家自然科学基金(21173111,51371060,51361005); 自然科学基金(2014GXNSFDA1 18005,20141jAA60035) 作者简介:王爽(1985__)。女,辽宁省人,博士生,主要研究方向为 金属制氢技术。 氢速率,显著减少了Na0H溶液的浓度,兼顾了铝水反应的动 力学性能和碱腐蚀问题。另一方面,为彻底摆脱碱性溶液对系 统装置的负面影响,最好的办法是使用中性的溶液或是单纯 的水来直接与铝进行反应。范美强『l州等人采用熔炼和球磨的方 法向纯铝中掺杂了多种低熔点金属来提高铝基制氢材料活 通信作者:孙立贤。男。湖南省人。博士导师。主要研究方向为新能 源材料、热力学与传感器。Email:lxsun@dicp.ac.on 925 201 5.5 VOI.39 NO.5 性。其中,使用30:1的球料比和5 h球磨时间制备的A1.10% Bi一5%NaC1(质量分数)样品,在20 min内转化率可达到 85.4%。本文在前期工作基础之上,通过改进球磨参数,细化成 分比例,得到了性能更好的铝.铋.氯化钠复合材料。同时在 此基础上,通过添加少量碱金属或氢化物得到了具有更高的 能量密度和放氢速率的复合材料,适用于实时供氢等方面的 应用。另外,测试了铝.铋.氯化钠.碱金属复合材料水解反 应的量热曲线,为以后工业化的系统设计提供参考。 1实验 1.1样品制备 实验所用金属粉(A1、Bi等),99.99%,天津兰德试剂有限公 司生产;氯盐(氯化钠等),分析纯,沈阳试剂厂生产;碱金属 (锂、钠、钾),99%,沈阳试剂厂生产;氢化物(LiAII-L、LiBH4等 98%,Alfa Aesar Company生产;本论文中所有的水解制氢材 t/min 图1 不同成分比例(质量分数)的Al—Bi—NaCl球磨样品 室温下水氢曲线 料,均采用高能量机械球磨的方法制备。该方法是将原料按设 计的组成配置混合后,在高纯氩气保护下,通过一定时间的球 磨过程制备得到实验所需的复合材料。球磨制备均在 QM-1SP.2cL型行星式球磨机(南京大学仪器厂制造)上进行。 球磨用50 mL的CrNi fi 真空密封不锈钢罐,磨球的材质与 11■1J1 、^  ∽.rI目 、唧 一一 球磨罐相同,直径约1 cm。球磨机的主轴转速为450 r/min,磨 3 2l O 9 8 7 6 5 4 3 21 0 O 0 0 0 0 O0 0 O O O 0 l 2 球与原料的质量比为30:l,球磨时间为12 h。 0O O 0 O 0 0 0 0 O 0 O O 0 0 0 1.2水解性能测试 称量0.07 g的复合材料粉末加入到容量约为10 mL的玻 璃小瓶中,然后密封,7 mL水由注射器加入。接触产生的氢气 t/min 图2 不同成分比例(质量分数)的A#(85%AI一8%Bi一7%NaGI)一 LiAIH 球磨样品室温下的水氢曲线 由导管引出,使用排水集气法收集在刻度精确到0.1 mL的量 筒中。复合材料水解上升氢气的体积为排出的水体积,产氢速 率为单位时间内排出的水体积,氢气产量为单位质量的复合 材料水解产生的氢气。 1.3微量热测试 实验采用瑞典Thermometirc AB公司的31 14/3236 TAM Air型微量量热仪,热功率最小检测限为2.5 txW。将O.O1 g样 品放入安培瓶置入量热仪中,待温度恒定后加入1 mL的去离 子水,得到铝水反应的微量热曲线。 tImin 2结果与讨论 2.1不同的铋和氯化钠含量对铝基复合材料性能影响 图1为不同成分比例的A1.Bi-NaC1球磨样品在室温下的 水氢曲线。随着NaC1含量的升高,样品的放氢量先增大后 减小。这可能是因为NaC1的加入减小了样品粒径,增加了颗粒 图3 不同成分比例(质量分数)的A#(85%AI-8%Bi一7%NaCI)一 LiBH 球磨样品窒温下的水氢曲线 的水氢曲线。随着掺杂量的升高,样品的初始放氢速率也 随之升高。其中,成分比例(质量分数)为 (A1.8%Bi.7%NaC1)一 5%LiA1H 的球磨复合材料拥有相对最佳的放氢性能,初始放 表面的缺陷和新鲜表面。但是当Bi的含量过小,A1.Bi微型腐 蚀电池便无法充分发挥作用,从而使放氢性能迅速下降。其中, 成分比例(质量分数)为A1.8%Bi.7%NaCl(i ̄为A鼻)的球磨样品 拥有相对最佳的放氢性能。初始放氢速率达到了891 mL/(min・ g),并且在3 min之内放氢量便基本能达到理论容量。 氢速率达到了2 016 mL/(min・g),并且在1 min内放氢量便基 本能达到全部理论容量。这可能是因为松散的氢化物的加入 在球磨过程中促进了铝颗粒的分散,进一步增大了样品的缺 陷和新鲜表面。另外在水解过程中,由于氢化物在与水反应时 放出的热量提高了初始局部温度,从而使铝水反应的启动过 程更加迅速。 2_2不同添加量的氢化物对铝一铋一氯化钠复合材 料性能影响 图2和图3分别为向85%A1.8%Bi.7%(质量分数)NaC1 中添加不同含量L lH4和LiBH4后的铝基复合材料在室温下 2,3不同种类的碱金属对铝一铋一氯化钠复合材料 性能影响 图4为向85%A1.8%Bi.7%(质量分数)NaC1中添加1% 201 5.5 Vo1.39 No.5 926 源技‘ 可放出约8.6 kJ/g的热量,在加入1%(质量分数)的碱金属后, 放出热量上升了约20%。铝水反应所产生的大量热量一方面 提升了其自身的反应速度,另一方面也对系统的安全和稳定 性提出了挑战。因此,在实际应用中应为反应容器设计循环冷 却系统,或者设法将反应所放出的热量利用起来,进一步提高 铝水反应能量的利用率。 3结论 为了破除铝表面致密的氧化膜使之能在常温下与水反 应,同时降低碱溶液对设备及使用人员的潜在危害,在前人工 t/min 作的基础上,实验制备了高活性的铝基球磨复合材料,在室温 下便能与水发生快速反应。其中成分比例(质量分数)为A≠} 图4 A#(85%AI一8%Bi一7%NaCI)-1%(质量分数)碱金属球 磨样品室温下的水氢曲线 (质量分数)的碱金属后的铝基复合材料在室温下的水氢曲 (A1.8%Bi.7%NaC1).5%LiAIH 的球磨复合材料拥有的初始放 氢速率达到了2 016 mL/(min・ ,在1 min内便基本放出了其 全部理论容量。性能优异的复合材料为接下来的实际应用打 下了坚实基础。另外,实验还测试了铝.铋.氯化钠和加入少 量碱金属后的复合材料水解反应量热曲线,计算了铝水反应 所放出的热量,为以后实际系统设计的安全性和稳定性提供 参考。 线。在加入了少量的碱金属之后,样品的初始放氢速率有了很 大提高。其中,成分比例(质量分数)为A#(A1.8%Bi一7%NaC1). 1%Na的球磨复合材料拥有相对最佳的放氢性能,初始放氢速 率达到了1 985 mL/(min・g),在1 min内便基本能放出全部理 论容量。这可能是因为碱金属在与水接触时发生剧烈的水解 反应,放出大量的热量,加快了样品的水解速度。同时,碱金属 的水解产物在铝与水的反应过程中能够起到催化剂的作用, 也促进了水解反应的进行。 参考文献: [11 BAUEN A.Future energy SOUrCes and systems・Acting on climate 图5为85%A1—8%Bi.7%(质量分数)NaC1加入1%碱金属 球磨样品水氢过程的量热曲线。从图中可以看到,随着水 change and energy security[J].J Power Sources,2006,157(2):893- 901. 解反应的进行,有大量的热量发出,放出热量的大小随着反应 放氢性能的提高而增大。加入碱金属的样品水热峰更加 尖锐,以更快的速度放出了大量热量。这也证明了碱金属的加 [2]GRAETZ J.New approaches to hydrogen storage[J].Chem Soc Rev, 2009,38(1):73—82. [3】MURUGESAN S,SUBRAMANIAN V.Effects of acid accelerators on hydrogen generation from solid sodium borohydride using small 入能够有效提高样品的初始放氢速率。 scale[J].J Power Sources,2009,187(1):216—223. [4】HIRAKI T,YAMAUCHI S,IIDA M,et a1.Process for recycling waste aluminum with generation ofhigh-pressre hydurogen[J].Envi— ronmental Science&Technology,2007,41(12):4454-4457. f ● [51 MARTINEZ S S,SANCHEZ L A,GALLEGOS A A A,et a1.Cou- piing a PEM fuel cell and the hydrogen generation from aluminum 誊 褂 嚣 丑 waste cans[J].Int J Hydrogen Enery,2007,32(15):3159—3162.g [6]SOLER L,CANDELA A M,MACANAS J,et a1.Hydrogen genera- tion by aluminum corrosion in seawater promoted by suspensions of aluminum hydroxide[J].Int J Hydrogen Energy,2009,34(20):851 1— 8518. t/s [7] SOLER L,CANDELA A M,MACANAS J,et a1.In situ generation ofhydrogen rom watfer by aluminum corrosion in solutions of sodi- 图5 A#(85%AI一8%Bi一7%NaCI)-1%(质量分数)碱金属球 磨样品水氢过程的量热曲线 urn aluminate[J].J Power Sources,2009,192(1):21—26. [8】SOLER L,CANDELA A M,MACANAS J,et a1.Hydrogen genera- tion from water and almiunum promoted by sodium stannate[J].Int J Hydrogen Energy,2010,35(3):1038—1048. 表l为85%A1—8%Bi.7%NaC1和加入1%(质量分数)碱金 属后球磨样品水氢过程的反应热值。由表1可见,85% A1—8%Bi一7%(质量分数)Nat1球磨复合材料在水解反应过程中 表1 A#(85%AI.8%Bi.7%NaC1).1%(质量分数) 成分组成(质量分数) AI.8%Bi一7%NaC1 [9]DAIHB,IVIAGL,XIAH J,et a1.Reaction ofaluminiumwith alka. 1ine sodim sutannate solution as a controlled source of hydrogen[J]. Energ Environ Sci,2011,4:2206—2212. 碱金属球磨样品水氢过程的反应热值 反应热/(J・g-I、 8 641 99%fA1・8%Bi一7%NaC1)一1%Li 99%(A1.-8%Bi-7%NaCI)・・1%Na 99%(AI-8%Bi--7%NaCI)-.1%K 1O 684 9 981 10 365 [1O]FAN M Q,SUN L X,XU F Hydrogen production for micro・fuel—cell from activated A1一Sn—Zn-X f)(:hydride or halide)mixture in water [J].Renewable Energy,2011,36(2):519—524. 927 201 5.5 Vo1.39 NO.5 

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