耦合纳米限域和磷元素掺杂对氢化镁储氢性能的影响研究

发布时间：2017-09-21 05:10

  本文关键词：耦合纳米限域和磷元素掺杂对氢化镁储氢性能的影响研究

  更多相关文章： 储氢材料 介孔碳 纳米限域 P掺杂 放氢温度

【摘要】：随着能源的枯竭和环境污染的加重,能源问题成为21世纪以来人们最关注的问题之一,开发清洁能源已迫在眉睫。氢能作为最理想和清洁的能源之一,一直受到人们的关注。作为氢能利用的中间过程,如何高效储氢成为研究的关键所在。镁由于储氢量高、循环性能好、成本低等优点而成为研究者的热门研究对象。但是限制镁大规模应用的最大问题在于其吸放氢动力学和吸放氢热力学差。纳米限域技术可以将镁颗粒限域到几纳米的介孔材料中,有效解决了镁在吸放氢过程中产生的颗粒团聚和氧化问题。而在介孔材料CMK-3中掺杂非金属元素P,可以调整碳材料的电子结构特性,有效降低氢吸附能,甚至比有些金属催化剂更低,对纳米限域镁基储氢材料的放氢性有着明显的效果。本论文工作围绕介孔材料CMK-3掺杂P元素后进行纳米限域镁颗粒,并对其吸放氢性能的影响展开研究。通过掺杂非金属元素P,其引入的缺陷导致P/CMK-3的结构扭曲,比表面积从CMK-3的1423 cm3/g降低到1052 cm3/g。由于微孔的消失,P/CMK-3相较于CMK-3的孔径从3.69 nm增大到5.5 nm,但是掺杂P后的P/CMK-3的介观结构依然为二维六方(p6mm)结构,保持着介孔材料的有序性,可以作为纳米限域镁颗粒的载体。用CMK-3和P/CMK-3分别纳米限域镁颗粒时,由于Mg/MgH_2被填充到纳米孔道中,使得CMK-3和P/CMK-3的比表面积分别降低到600 m2/g和359m2/g。用CMK-3负载的Mg/MgH_2不仅对镁的吸氢性能有所提升,而且能明显改善其放氢性能,使得镁的初始放氢温度降低到50°C;而用P/CMK-3纳米限域MgH_2时,其初始放氢温度可以降低到室温。以MgH_2理论储氢量计算时,MgH_2@P/CMK-3在150°C、200°C和250°C下放氢量分别达到了0.8、1.5和2.8 wt%,而MgH_2@CMK-3在同样温度下的放氢量分别为0.1、0.3和0.9 wt%,说明P掺杂和纳米限域对Mg/MgH_2的放氢热力学性能有着很大的提升作用。通过第一性原理计算发现,块体MgH_2的放氢能高达0.75 eV,而Mg76H152团簇的放氢能降低到0.62 eV。非金属元素S、B、C、N、P所形成骨架对Mg76H152限域后Mg76H152的放氢能依次降低,如C骨架限域时放氢能可降到0.55 eV,而P骨架限域时放氢能甚至降低到0.2 eV。理论计算结果与实验结果非常吻合。当用不同含量的P掺杂介孔碳时,随着P掺杂量从无增加到0.45 wt%、1.21wt%和1.82 wt%时,P/CMK-3结构造成的缺陷和扭曲越严重,孔的比表面积也从CMK-3的1440 m2/g依次降低到1318 m2/g、1103 m2/g和1044 m2/g。但是随着P含量的增加,镁在低温下的放氢量依次增大。当P含量为1.21 wt%和1.82wt%时,MgH_2@P/CMK-3在150°C以下的放氢量分别达到了0.4 wt%和0.8wt%。P元素掺杂和纳米限域协同作用可以改善MgH_2的放氢行为。P掺杂量增加可以提高MgH_2低温放氢性能,但同时P含量增加导致介孔碳比表面积降低,即抑制了纳米限域效应。所以高含量P掺杂时,MgH_2的高温放氢性能较低含量P掺杂时有所降低。
【关键词】：储氢材料 介孔碳 纳米限域 P掺杂 放氢温度
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB34
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 第一章 绪论14-15
• 1.1 课题来源14
• 1.2 课题研究的目的和意义14-15
• 第二章 文献综述15-37
• 2.1 清洁能源和氢能概述15-17
• 2.2 氢能的应用17-25
• 2.2.1 氢气的制备技术17-19
• 2.2.2 氢气的储存技术19-25
• 2.3 镁基储氢材料的研究进展25-29
• 2.3.1 MgH_2的形成机理26
• 2.3.2 改善Mg吸放氢动力学和热力学的措施26-29
• 2.4 纳米限域储氢材料的研究进展29-33
• 2.5 碳对氢化物储氢性能的影响33-35
• 2.6 本文的研究思路及主要内容35-37
• 第三章 实验及测试方法37-45
• 3.1 试剂和仪器37-38
• 3.1.1 制备样品所需要的试剂37
• 3.1.2 制备样品所需要的仪器37-38
• 3.2 储氢性能测试方法38-42
• 3.2.1. 1 HPS A-auto全自动高压气体吸附仪38-41
• 3.2.2 程序升温脱附-质谱联用41-42
• 3.3 微观结构和成分分析42-45
• 3.3.1 X射线衍射分析42
• 3.3.2 热分析测定42
• 3.3.3 全自动比表面积及微孔物理吸附分析42
• 3.3.4 透射电子显微镜42-43
• 3.3.5 X射线光电子能谱仪43
• 3.3.6 碳硫分析仪43
• 3.3.7 等离子光谱仪43
• 3.3.8 化学分析仪43
• 3.3.9 第一性原理计算方法43-45
• 第四章 磷掺杂介孔碳的制备45-56
• 4.1 引言45
• 4.2 样品的制备45-47
• 4.2.1 SBA-15的制备45-46
• 4.2.2 CMK-3 和P/CMK-3 的制备46-47
• 4.3 结果及讨论47-54
• 4.3.1 SBA-15的微观结构表征47-49
• 4.3.2 CMK-3 和P/CMK-3 的微观结构表征49-53
• 4.3.3 P/CMK-3 的光电子能谱分析53-54
• 4.4 小结54-56
• 第五章 纳米限域及P掺杂对氢化镁储氢性能的影响56-73
• 5.1 引言56-57
• 5.2 样品的制备57-58
• 5.3 结果及讨论58-69
• 5.3.1 MgH_2@P/CMK-3 的微观结构表征58-64
• 5.3.2 CMK-3 负载Mg含量的确定64-65
• 5.3.3 纳米限域对Mg吸氢性能影响65-67
• 5.3.4 纳米限域和P掺杂对MgH_2放氢性能的影响67-69
• 5.4 理论计算69-71
• 5.5 小结71-73
• 第六章P掺杂量对纳米限域氢化镁放氢性能的影响73-79
• 6.1 引言73
• 6.2 样品的制备73-74
• 6.3 结果及讨论74-78
• 6.3.1 P含量的不同对P/CMK-3 的结构影响74-76
• 6.3.2 P含量对氢化镁放氢性能的影响76-78
• 6.4 小结78-79
• 第七章 结论与展望79-82
• 7.1 结论79-81
• 7.2 展望81-82
• 参考文献82-92
• 作者在攻读硕士学位期间研究成果及所获奖项92-93
• 作者在攻读硕士学位期间所作的项目93-94
• 致谢94

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 白春礼;;纳米科技及其发展前景[J];群言;2001年04期

2 白春礼;纳米科技及其发展前景[J];安徽科技;2002年03期

3 白春礼;纳米科技及其发展前景[J];微纳电子技术;2002年01期

4 黄彪;纳米科技前景灿烂,应用开发任重道远[J];中国粉体技术;2002年01期

5 一东;;纳米产业化成了企业泥潭[J];新经济导刊;2003年Z2期

6 宋允萍;纳米科技[J];中学文科;2001年01期

7 李斌,沈路涛;纳米科技[J];焊接学报;2000年04期

8 齐东月;纳米 又一场新技术革命来临了[J];民族团结;2000年10期

9 徐滨士,欧忠文,马世宁;纳米表面工程基本问题及其进展[J];中国表面工程;2001年03期

10 白春礼;纳米科技及其发展前景[J];计算机自动测量与控制;2001年03期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 陈天虎;谢巧勤;;纳米矿物学[A];中国矿物岩石地球化学学会第13届学术年会论文集[C];2011年

2 马燕合;李克健;吴述尧;;加快建设我国纳米科技创新体系[A];纳米材料和技术应用进展——全国第二届纳米材料和技术应用会议论文集（上卷）[C];2001年

3 李正孝;煍岩;;漫娗纳米技圫和纳米材料的a捎煤蛌|展[A];第二届功能性纺织品及纳米技术应用研讨会论文集[C];2002年

4 伊阳;陶鑫;;纳米CaCO_3在塑料改性中的应用研究[A];PPTS2005塑料加工技术高峰论坛论文集[C];2005年

5 洪广言;;稀土产业与纳米科技[A];第九届中国稀土企业家联谊会会议论文集[C];2002年

6 惠飞;王栋民;;纳米水泥混凝土的研究进展[A];2008年中国水泥技术年会暨第十届全国水泥技术交流大会论文集[C];2008年

7 秦伯雄;陈峰;马卓然;;高压流体纳米磨及其应用[A];纳米材料和技术应用进展——全国第三届纳米材料和技术应用会议论文集（上卷）[C];2003年

8 王树林;李生娟;童正明;李来强;;振动纳米学进展[A];第七届全国颗粒制备与处理学术暨应用研讨会论文集[C];2004年

9 洪广言;贾积晓;于德才;孙锁良;李天民;王振华;;纳米级氧化镱的制备与表征[A];中国稀土学会第四届学术年会论文集[C];2000年

10 洪茂椿;;纳米催化在化石资源高效转化中的应用研究[A];中国化学会2008年中西部地区无机化学、化工学术交流会会议论文集[C];2008年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 张立德（中国科学院固体物理研究所）;纳米专家话纳米[N];中国高新技术产业导报;2002年

2 本报记者 赵晓展;纳米科技，产业化序幕刚刚拉开[N];工人日报;2002年

3 宗合 晓丽;纳米科技成果产业化将带来巨大经济效益[N];消费日报;2004年

4 朱文龙;产学研联手助推纳米产业[N];文汇报;2006年

5 ;神奇的纳米科技[N];中国有色金属报;2006年

6 本报记者 李贽;纳米还没走出实验室[N];大众科技报;2001年

7 冯 薇;纳米护肤品没那么神[N];大众科技报;2005年

8 本报记者 彤云;打造纳米产业链条[N];中国高新技术产业导报;2001年

9 张芳;纳米护肤品其实没那么神[N];科技日报;2005年

10 赵展慧 张之豪;纳米世界有多神奇？[N];人民日报;2013年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 樊莉鑫;纳米电极体系界面结构及过程的理论与数值模拟研究[D];武汉大学;2014年

2 冯晓勇;高速重击条件下高锰钢表面纳米晶的制备及组织性能研究[D];燕山大学;2015年

3 黄权;B-C-N体系中新型超硬材料制备与性能研究[D];燕山大学;2015年

4 王东新;纳米钻石靶向载药体系的制备及其与细胞相互作用的研究[D];山西大学;2014年

5 张俊丽;低维磁性纳米结构的可控合成、微观表征及应用研究[D];兰州大学;2015年

6 于佳鑫;两种新型光学材料在显微生物成像与光谱检测中的应用探索[D];浙江大学;2015年

7 李志明;块体纳米晶钛的制备及组织演变与力学行为[D];上海交通大学;2014年

8 杨树瑚;缺陷对几种过渡族金属氧化物磁性的影响[D];南京大学;2012年

9 刘春静;锂离子电池锡基纳米负极材料制备及储锂性能[D];大连理工大学;2015年

10 谢伟丽;SiC纳米线三维结构的制备与生物相容性[D];哈尔滨工业大学;2014年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 林诠彬;中药纳米化对中医药的影响[D];广州中医药大学;2010年

2 毛彩霞;纳米二氧化锰的安全性评价[D];华中师范大学;2008年

3 邓世琪;PbTi0_3及LiTi0_2纳米结构的水热合成及其光致发光和光催化性能研究[D];浙江大学;2015年

4 葛岩;YAG：Ce~(3+)纳米晶的制备及其发光性能的研究[D];上海师范大学;2015年

5 潘伟源;水热法合成的过渡金属化合物掺杂对Li-Mg-B-H储氢体系的改性研究[D];浙江大学;2015年

6 豆贝贝;纳米水泥熟料矿物的合成与性能研究[D];河北联合大学;2014年

7 郭步超;高氮奥氏体不锈钢机械纳米化表面层及其热稳定性研究[D];长春工业大学;2015年

8 王艳艳;纳米化/渗氮/渗硫层与润滑油添加剂的摩擦化学效应研究[D];中国地质大学(北京);2015年

9 周文敏;Cr_2WO_6、Ag_2CrO_4微/纳米晶的制备及性能研究[D];陕西科技大学;2015年

10 龚成章;纳米铝结构性质及Al/RNO_2界面作用的理论研究[D];南京理工大学;2015年

，

本文编号：892546