铝基复合材料水解制氢性能研究

发布时间：2020-08-01 15:59

【摘要】：为丰富水解制氢用铝合金材料体系以及水解制氢用应用端设备,本文提出以金属铝粉为研究对象,通过添加Ga、In、SnCl_2、Bi_2O_3等材料,利用机械合金化工艺制备Al-Ga-In-SnCl_2-Bi_2O_3复合材料,研究该铝基复合材料的水解制氢性能。本文利用均匀设计试验方法,以铝基复合材料的产氢量、产氢速率、材料价格最优为标准,优化了水解制氢用Al-Ga-In-SnCl_2-Bi_2O_3复合材料的最佳成分。利用正交试验设计的方法,对于最优成分下的铝基复合材料,改变其机械合金化工艺参数(转速、球磨时间、球料比、大小球比例),测试不同机械合金化参数下该材料的产氢量、产氢速率,优化出铝基复合材料的机械合金化最佳工艺参数。实验结果表明,复合材料中Al、Ga、In、SnCl_2、Bi_2O_3的质量百分比分别为90%、1%、2%、2.5%、4.5%时,机械合金化工艺参数分别为转速420r/min,球磨时间480min,球料比5:1,大小球比例2:1时,铝基复合材料在25℃的水浴中水解2h的产氢量为1225.5mL,最大产氢速率可以达到900mL(min×g)。考察了SnCl_2、Bi_2O_3含量对于Al-Ga-In-SnCl_2-Bi_2O_3复合材料产氢性能影响,结合X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)等设备进行分析可知,提高铝基复合材料水解制氢性能的原因有以下几点;第一、机械合金化过程中,复合材料、磨球、陶瓷罐之间发生剧烈的相互作用,破坏了金属铝表面的氧化膜,使得铝水反应成为可能;第二,加入具有强还原性的盐SnCl_2,阻碍了金属铝粉的团聚,同时使得机械合金化过程中原位生成了Sn和AlCl3,Sn和复合材料中的金属In结合生成了金属间化合物InSn4,金属间化合物InSn4成为铝水反应的活性点;反应开始时,生成的AlCl3与水反应生成了HCl,导致了水解速率的急剧增加。第三,随着氧化物Bi_2O_3地加入,金属铝表面的镶嵌物总量增加,降低铝表面氧化膜的连续性,同时金属铝和Bi_2O_3在球磨过程中发生了铝热反应原位生成了Bi与复合材料中的In反应生成金属间化合物InBi,进一步促进了水解反应的进行。第四,由于晶格畸变,复合材料内能增高,复合材料的活化能降低,进一步促进了水解反应的进行。在这些因素的共同作用下,使得复合材料能在常温下与普通自来水反应产生氢气。通过对于Al-Ga-In-SnCl_2-Bi_2O_3复合材料水解制氢动力学的研究,得出该复合材料的活化能为5309.986J×mol-1,指前因子为0.013231s-1,化学反应级数为二级。根据氢氧燃料电池堆的供氢特点,设计出了一种可以为该电池堆持续供氢的装置。
【学位授予单位】：湖北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ116.2;TB33

【参考文献】