Zn掺杂对Al-Ga-In-Sn复合材料水解制氢性能的影响研究

发布时间：2017-06-15 10:06

  本文关键词：Zn掺杂对Al-Ga-In-Sn复合材料水解制氢性能的影响研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：由于化石能源的消耗与枯竭,寻找新能源来替代传统的化石燃料迫在眉睫。而氢气作为一种高热量、无污染的新能源,受到了科学家的青睐。然而,氢气在存储和运输方面的安全问题,使氢气进一步应用受到了限制。为了解决这些问题,我们想通过在线提供氢气的方法,使氢气的存储、运输和生产结合起来,实现边生产边使用,从而解决了氢气在运输和存储过程的安全问题。利用固体制氢材料可以解决上述问题,实现在线产生应用,并且相比于普通的运输存储方法,使用固体制氢材料更有利于氢气的存储与运输。在固体制氢材料中,Al合金以其优异的性能脱颖而出。金属Al在地壳中储量丰富,因此容易获得。此外,Al的密度较低,因此具有很高的能量密度。Al属于一种活泼金属,理论上可以直接与水反应,产生氢气。但是由于Al暴露在空气中时会快速被氧化,从而在金属Al表面会形成一层致密的氧化膜,阻止其与水的进一步反应。因此,如何除去Al表面的氧化膜,使Al与水继续反应产生氢气,是现在科学家们研究的重点。本文利用简单熔炼浇注的方法,通过向Al中添加Ga、In、Sn、Zn等金属来活化Al,形成Al-Ga-In-Sn-Zn合金,从而使Al能与水直接进行反应。通常Al-Ga-In-Sn合金就能直接与水反应,产生氢气,但是Ga和In都属于稀有金属,且价格昂贵。通过向Al-Ga-In-Sn合金掺杂金属Zn可以保证合金产氢性能(包括产氢量和产氢速率)的前提下,降低Ga和In的用量,来降低合金生产的成本。此外,通过XRD、SEM、EDX以及DTA对不同配比的合金样品进行分析,并根据分析结果提出Zn掺杂对Al-Ga-In-Sn合金的作用机理。Al-Ga-In-Sn合金中的In和Sn主要会形成In_3Sn与In Sn_4两种不同的化合物,其中Al-Ga-In Sn_4合金虽然金属In的用量少,成本低,但产氢性能不理想。Zn的引入分别对应生成Al-Ga-In_3Sn-Zn与Al-Ga-In Sn_4-Zn合金,它们的产氢性能也发生明显的变化。对于Al-Ga-In_3Sn合金,Zn掺杂使Al-Ga-In_3Sn合金的产氢量略有降低,但在产氢速率上却有很大的提高,当Zn的掺杂量为5%时,综合产氢性能最佳。对于Al-Ga-In Sn_4合金,Zn掺杂使Al-Ga-In Sn_4合金的产氢速率上会明显降低,但是由于纯Al-Ga-In Sn_4合金的产氢速率极快,因此Zn的掺杂可以起到稳定速率的作用。而在产氢量上,Zn的掺杂会使Al-Ga-In Sn_4合金的产氢量明显提高。当Zn的掺杂量为10%时,综合产氢性能最好。在讨论Zn掺杂对Al-Ga-In_3Sn-In Sn_4的影响时发现,Al-Ga-In_3Sn-In Sn_4-Zn合金的产氢性能整体上较好,且当In_3Sn与In Sn_4的比例趋近单一的In_3Sn或In Sn_4时产氢性能最为理想。仅在In_3Sn与In Sn_4的比例为1:1时,材料的产氢性能较差,这也与扫描电镜、能谱分析的结果相吻合。并且通过对Al-Ga-In_3Sn-In Sn_4-Zn的显微结构观察可以发现,掺杂后在合金中出现了Zn单质,但当In_3Sn与In Sn_4的比例为1:1时扫描电镜下Zn单质含量明显少,从而造成了其产氢性能的下降,因此确定In_3Sn与In Sn_4的最佳配比为1:3。通过实验发现,当Zn的掺杂量为6%,In Sn化合物的含量为9%时产氢性能最好。并且,当Zn含量由少向多变化时,In Sn粒子由呈现出由颗粒圆球状,向不规则片状粒状过渡。此外,固定In_3Sn、In Sn_4的比例为1:3,改变Zn与Ga的相对含量,当Zn掺杂量为9%,Ga的掺杂量为6%时,合金的综合产氢性能最优。当Zn掺杂量较少时,In Sn粒子趋向于球状;当Zn掺杂量较多时,In Sn粒子趋向于片状。Al-Ga-In-Sn-Zn合金可以直接与水反应产生氢气,并在保证合金产氢性能的前提条件下,降低合金的生产制造成本,并且解决了氢气在存储运输上的问题。此外,Ga、In、Sn、Zn等金属并不参与反应,当反应结束后可以对这些金属进行回收利用。
【关键词】：Al-Ga复合材料 Zn掺杂 制氢 反应机制
【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
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-28
• 1.1 能源概述12-15
• 1.1.1 传统能源发展现状12
• 1.1.2 新能源发展现状12-15
• 1.2 氢能源简介15-23
• 1.2.1 氢能源发展现状15
• 1.2.2 氢气的生产及制备15-17
• 1.2.3 氢气的存储及运输17-21
• 1.2.4 氢能源的应用21-23
• 1.3 铝制氢的概述23-26
• 1.3.1 铝制氢的研究现状23-26
• 1.3.2 铝水解制氢的优势26
• 1.4 本文研究的目的、意义及内容26-28
• 第2章 材料的制备及测试表征28-34
• 2.1 材料制备28-29
• 2.1.1 实验药品28
• 2.1.2 实验设备28-29
• 2.1.3 合金制备的工艺流程29
• 2.2 合金样品的表征29-31
• 2.2.1 X射线衍射（XRD）分析29-30
• 2.2.2 扫描电子显微镜（SEM）及能谱（EDX)分析30-31
• 2.2.3 差热热重（DTA/TG）分析31
• 2.3 合金的产氢性能测试31-34
• 2.3.1 合金产氢量的测定31-32
• 2.3.2 合金产氢速率的测定32-34
• 第3章 Al-Ga-In3Sn-Zn复合材料水解制氢性能研究34-40
• 3.1 复合材料的表征34-38
• 3.1.1 XRD表征34-35
• 3.1.2 SEM及EDX表征35-37
• 3.1.3 DTA表征37-38
• 3.2 复合材料的产氢量及产氢速率分析38-39
• 3.3 本章小结39-40
• 第4章 Al-Ga-InSn_4-Zn复合材料水解制氢性能研究40-46
• 4.1 复合材料的表征40-44
• 4.1.1 XRD表征40-41
• 4.1.2 SEM及EDX表征41-43
• 4.1.3 DTA表征43-44
• 4.2 复合材料的产氢量及产氢速率分析44-45
• 4.3 本章小结45-46
• 第5章 Al-Ga-In_3Sn-InSn_4-Zn复合材料水解制氢性能研究46-64
• 5.1 不同比例In_3Sn、InSn_4复合材料水解性能研究46-51
• 5.1.1 复合材料的表征46-50
• 5.1.2 复合材料的产氢量及产氢速率分析50-51
• 5.2 Zn含量对固定比例In_3Sn、InSn_4复合材料水解性能的影响研究51-56
• 5.2.1 复合材料的表征52-55
• 5.2.2 复合材料的产氢量及产氢速率分析55-56
• 5.3 Ga含量对固定比例In_3Sn、InSn_4复合材料水解性能的影响研究56-61
• 5.3.1 复合材料的表征57-60
• 5.3.2 复合材料的产氢量及产氢速率分析60-61
• 5.4 本章小结61-64
• 第6章 结论64-66
• 参考文献66-72
• 作者简介72-74
• 致谢74

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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

2 崔婷;Zn掺杂对Al-Ga-In-Sn复合材料水解制氢性能的影响研究[D];吉林大学;2016年

  本文关键词：Zn掺杂对Al-Ga-In-Sn复合材料水解制氢性能的影响研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：452126