Al-Ga-In-Sn四元合金产氢特性及影响因素研究

发布时间：2017-11-08 18:37

  本文关键词：Al-Ga-In-Sn四元合金产氢特性及影响因素研究

  更多相关文章： 铝合金化 氢气制备 反应机理 产氢速率 产氢量

【摘要】：随着世界能源危机的不断加剧及传统能源对环境造成的巨大污染,世界各国都致力于新能源的研究中,先后开发出了太阳能、风能、核能、地热能等新能源,但这些能源都不能像石油和天然气能源一样具备可储存和运输的特点,且在开发过程中需要付出较高的成本,进而更加限制了他们在能源市场中的进一步应用。相对于其他新能源来说,氢气具有燃烧值高、燃烧产物无污染等一系列优点,因此氢气的制备和应用越来越成为国内外专家们研究的重点,但由于氢能源在制备、储存和运输过程中存在安全性、不可持续性等问题,进而限制了它的进一步应用。为解决此问题,我们设计了按需在线供氢系统,将氢气的制备、储存、运输结合起来,通过控制反应的产氢速率和产氢效率,使该系统能实现平稳、持久的运转;采用活泼金属与溶液反应制氢,实现了氢气安全紧凑的储存和运输。在所有活泼金属中,金属Al具有来源广泛、储量丰富、能量密度高、价格便宜等优点,成为活泼金属与溶液反应制氢的首选,理论上Al可以直接与水反应产生氢气,但由于Al具有较高的化学活性,在空气中Al表面极易形成一层致密的氧化膜,从而阻止了Al与水的反应。可通过以下两种方法解决此问题:一是将Al与一些无机盐混合制成纳米级粉末;二是在金属Al中加入低熔点的金属(Ga、In、Sn)形成合金,从而提高了金属Al的化学活性。本论文采用传统的熔融浇铸方法制备Al合金,在以Al为基体的金属中加入低熔点金属Ga、In、Sn,制备出了80 wt%Al-5 wt%Ga-11.5 wt%In-3.5 wt%Sn合金。通过对合金样品进行XRD、SEM与EDX和DSC测试表征,分析了合金的物相组成、显微结构,并在此基础上提出了合金化活化机理,研究了反应溶液中离子种类(阴阳离子)、离子浓度、溶液pH值和反应温度、保温时间对合金产氢性能(产氢速率和产氢量)的影响;对反应产物进行了XRD测试且分析了其物相组成,并对反应产物中Ga-In-Sn合金和水解产物Al(OH)3的回收利用进行了分析和展望。研究发现,Al-Ga-In-Sn四元合金物相组成主要是由Al和In3Sn两相组成,其中Al的峰特别明显。通过扫描电镜和能谱分析了合金的显微结构,合金内部组织成棒球状,并存在明显的裂纹和缺陷。合金组织主要由Al(Ga)固溶体、金属间化合物In3Sn相组成,且In3Sn存在于Al的晶界处。在合金与溶液反应过程中,最开始起活化作用的是Al(Ga)固溶体,当温度达到二者的共晶温度后,Al从固溶体中不断溶出与溶液接触反应,由于此反应为热动力型反应,随着温度的升高,当合金中局部达到了Al-Ga-In-Sn四元合金共晶温度时,Al将不断从合金中溶出,继续与溶液反应,直到Al反应完全为止。在产氢特性影响因素的研究中发现,反应溶液中不同阴阳离子对反应的影响各不相同,有的阴离子对反应有一定的促进作用,例如Cl-离子;而有的阴离子对反应有一定的阻碍作用,例如SO42-离子。离子浓度方面,随着浓度的增加,产氢速率逐渐减小,产氢量变化不大,当AlCl3溶液浓度达到1mol/L时,合金的产氢速率变得缓慢但相对平缓,产氢量也接近理论值。与此同时,pH值对反应的影响较为明显,在酸性和碱性条件下都能完全反应,在中性溶液中产氢性能有所下降,NH3·H2O与合金的产氢速率慢但平稳,产氢量达到467mL左右。此外,温度和保温时间对产氢性能也有一定的影响,随着温度和保温时间的增加,产氢速率和产氢量都得到一定程度的提高。在合金与溶液的反应过程中,只会消耗Al和溶液,Ga、In、Sn作为活化成分,反应前后物相不变,在降低成本和实现Al循环利用方面,对产物中Ga-In-Sn合金和水解产物Al(OH)3的回收利用显得尤为重要。通过初步研究发现,在合金与AlCl3溶液反应时,当浓度达到1mol/L时,反应后的产物为无色透明液体,Ga-In-Sn合金沉积在溶液的底部,此时采用固液分离就可将Ga-In-Sn合金分离出来,而透明的溶液经过一定条件的处理就可得到Al(OH)3沉淀,再通过Al的工业制备法就可以得到金属Al单质。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ116.2

【相似文献】

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 李永涛;Al-Ga-In-Sn四元合金产氢特性及影响因素研究[D];吉林大学;2016年

，

本文编号：1158357