Al基材料快速水解制氢的研究

发布时间：2017-10-15 23:24

  本文关键词：Al基材料快速水解制氢的研究

  更多相关文章： Al基合金 水解制氢 腐蚀电位 反应速率 碱浓度

【摘要】：随着环境恶化,氢能作为一种无污染的能源正受到人们密切的关注,铝作为一种比能量高,储量丰富,性质活泼的金属,而且在热力学趋势上很容易与水发生反应生成氢气。铝作为制氢材料能有效解决氢能在运输和使用上的瓶颈,将大大降低氢能使用的成本。本文在全面综述了硼氢化物水解制氢、光电催化水解制氢,电解水制氢技术以及金属基材料水解制氢技术在国内外发展的基础上,选取了Al基材料作为本文的研究对象。研究了合金成分、水解温度以及碱浓度变化对合金水解性能的影响。采用X射线衍射仪以及金相显微镜等仪器分析合金的相结构及表面形貌,用CS310电化学测试仪测试合金的电化学腐蚀性能。合金成分对制氢性能的影响:不同Ni含量的添加对合金水解性能的研究发现,Al-Ni合金的水解制氢速率,随着Ni含量的增加而增加,在25%KOH溶液中,当Ni含量从零增加到4wt.%时,制氢反应速率从15.16mL·min-1·g-1迅速增加到27.71mL·min-1·g-1。结合XRD图谱和金相显微镜组织图可知,随着Ni含量的添加,Al合金中形成的Al3Ni衍射峰均匀分布在Al相周围,能有效破坏Al表面氧化膜的完整性,且随着Ni含量的添加,合金的组织得以细化且分布均匀,这都有利于合金制氢反应速率的增加。不同Fe含量的添加对合金水解性能的研究发现,Al-1wt.%Fe合金在Al-Fe系列合金中表现出最快的制氢反应速率和较好的制氢转化率。在25%KOH溶液中制氢反应速率为22.15m L·min-1·g-1,制氢转化率为98.1%,结合XRD图谱和金相显微镜组织图可知,这是因为Al-1wt.%Fe合金中Al3Fe衍射峰的形成,Al3Fe分布在合金的晶界位置,一方面在晶界处增加了Al与溶液的接触面积,另一方面Al3Fe与Al在局部形成了微型电池,能加快Al的腐蚀析氢,因而有利于制氢转化率和反应速率的提高。不同LaNi3含量的添加对合金水解性能的研究发现,Al-3wt.%LaNi3合金在Al-LaNi3系列合金中表现出最快的制氢反应速率和较好的制氢转化率。在25%KOH溶液中,其反应速率为19.0mL·min-1·g-1,制氢转化率为95.0%。结合XRD图谱和金相显微镜组织图可知,La Ni3分布在合金的晶界位置,在晶界处增加了Al与溶液的接触面积,因而有利于制氢转化率和反应速率的提高。碱浓度对制氢性能的影响:碱浓度的变化主要影响水解制氢的反应速率和反应时间,合金制氢反应速率随着碱溶液浓度的增加而增加。这是因为随着反应的进行OH-不断减少,使得与合金接触的OH-减少,减缓了铝的腐蚀析氢反应,碱浓度的提高,OH-增多,从而可直接加快合金的水解速率。研究认为碱液作为铝水解反应的催化剂也参加了铝的水解反应,与铝和水反应生成了中间产物KAl(OH)4,KAl(OH)4迅速分解为KOH和Al(OH)3,这也是决定铝水解反应动力学的第一步,所以碱浓度的提高能达到加速反应速率的目的。温度对制氢性能的影响:提高反应温度有助于提高铝水解制氢反应速率。温度的提高改善了铝水解反应的动力学性能,而且温度越高,改善越明显。由于合金的水解制氢反应本身就是一个放热反应,反应一旦开始,即会产生大量的热,使水解的环境温度不断升高。腐蚀电位对制氢的影响:对Al-Ni合金的电化学测试研究发现:随着Ni含量的添加,合金的腐蚀电位发生变化,由纯A1的-0.803VSCE,减小到Al-3wt.%Ni的-0.950VSCE而后又有所增加,对Al-Fe合金的电化学测试研究发现:Al-Fe合金的腐蚀电位先减小后增大,由纯Al的-0.803VSCE,减小到Al-1wt.%Fe的-0.982VSCE,而后由Al-3wt.%Fe的-0.890VSCE增加到Al-6wt.%Fe的-0.851VSCE。由于腐蚀电位越低,制氢反应速率越快,这说明适当的加入Ni、Fe作为第二相,可以减小合金的腐蚀电位,从而达到加快水解制氢速率的目的。
【关键词】：Al基合金 水解制氢 腐蚀电位 反应速率 碱浓度
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ116.2
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-13
• 第1章 绪论13-24
• 1.1 氢能开发的背景13-14
• 1.1.1 氢能的优越性13
• 1.1.2 氢能开发的意义13-14
• 1.1.3 氢能的来源14
• 1.2 制氢的研究现状14-16
• 1.2.1 硼氢化钠水解制氢14-15
• 1.2.2 光催化水解制氢15
• 1.2.3 电解水制氢技术15
• 1.2.4 金属基材料水解制氢15-16
• 1.3 铝作为制氢材料的介绍16-19
• 1.3.1 铝空气电池16-17
• 1.3.2 质子交换膜燃料电池17-18
• 1.3.3 制氢能源材料18-19
• 1.4 金属铝水解制氢的发展现状19-23
• 1.4.1 铝在碱性溶液中水解制氢的研究19-21
• 1.4.2 无机盐或金属铝陶瓷体系活化水解制氢21-22
• 1.4.3 金属铝形态的研究22
• 1.4.4 金属铝合金化水解制氢的研究22-23
• 1.5 课题研究内容和研究方法23-24
• 第2章 实验材料及方法24-29
• 2.1 试验原材料及其设备24-25
• 2.1.1 试验原材料24
• 2.1.2 实验设备24-25
• 2.2 铝基材料的制备25-26
• 2.2.1 合金成分设计25
• 2.2.2 合金熔炼制备25-26
• 2.3 铝基材料的电化腐蚀性能测试26
• 2.4 氢气的制备及装置26-27
• 2.5 制氢反应数据处理27
• 2.6 材料的表征27-29
• 2.6.1 制氢材料的物相表征27-28
• 2.6.2 铝基材料的表面形貌分析28-29
• 第3章 Al-Ni合金水解制氢性能的研究29-51
• 3.1 合金物相与组织观察分析29-31
• 3.1.1 Al-Ni合金物相分析29-30
• 3.1.2 Al-Ni合金形貌分析30-31
• 3.2 制备条件对Al-Ni合金水解性能的影响31-43
• 3.2.1 不同成分Al-Ni合金对制氢的影响31-33
• 3.2.2 不同初始水温对Al-Ni合金制氢的影响33-37
• 3.2.3 不同碱浓度对Al-Ni合金制氢的影响37-41
• 3.2.4 Al-Ni合金的电化学腐蚀行为41-42
• 3.2.5 制备条件对合金制氢性能的综合影响42-43
• 3.3 制氢性能的半经验拟合分析43-50
• 3.3.1 氢气生成速率的半经验拟合43-45
• 3.3.2 金属铝水解制氢与反应条件的关系分析45-50
• 3.4 本章总结50-51
• 第4章 Al-Fe合金水解制氢性能的研究51-65
• 4.1 合金物相与组织观察分析51-52
• 4.1.1 Al-Fe合金物相分析51-52
• 4.1.2 Al-Fe合金形貌分析52
• 4.2 制备条件对Al-Fe合金水解性能的影响52-63
• 4.2.1 不同成分Al-Fe合金对制氢的影响52-55
• 4.2.2 不同初始水温对Al-Fe合金制氢的影响55-57
• 4.2.3 不同碱浓度对Al-Fe合金制氢的影响57-62
• 4.2.4 Al-Fe合金的电化学腐蚀行为62
• 4.2.5 制备条件对合金制氢性能的综合影响62-63
• 4.3 本章总结63-65
• 第5章 Al-La Ni_3合金水解制氢性能的研究65-79
• 5.1 合金物相与组织观察分析65-66
• 5.1.1 Al-La Ni_3合金物相分析65-66
• 5.1.2 Al-La Ni_3合金形貌分析66
• 5.2 制备条件对Al-La Ni_3合金水解性能的影响66-77
• 5.2.1 不同成分Al-La Ni_3合金对制氢的影响66-71
• 5.2.2 不同碱浓度对Al-La Ni_3合金制氢的影响71-75
• 5.2.3 制备条件对合金制氢性能的综合影响75-77
• 5.3 本章总结77-79
• 结论79-81
• 参考文献81-86
• 攻读学位期间发表的学术论文86-87
• 致谢87

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本文编号：1039307