合金化活化金属铝及其产氢性能的研究

发布时间：2017-10-13 19:01

  本文关键词：合金化活化金属铝及其产氢性能的研究

  更多相关文章： 合金化 铝合金 产氢速率 产氢量 金属间化合物

【摘要】：氢能源的应用推广对解决当前能源危机具有里程碑的意义。然而，氢气应用过程中的存储与运输问题一直限制着氢气的进一步应用。为解决这些问题，我们提出了按需在线供应氢气系统，即将氢气的生产、存储与运输结合起来。使用活泼金属与水反应在线产生氢气，为后续设备提供燃料，实现了氢气的安全紧凑储存以及运输。相比氢气气体，固体活泼金属和水更方便于运输及储存。 金属Al是一种常见的活泼金属，同时Al元素是地壳中含量最丰富的金属元素，因此来源非常广泛且廉价易得。此外，Al为三价金属，其密度小重量轻，所以Al的能量密度非常高。在理论上，金属Al可以与水反应生成氢气。然而，在金属Al表面极易形成一层致密的氧化物薄膜，这层钝化薄膜能阻碍Al与水持续反应。为了使Al分解水产生氢气，必须打破这种自身钝化的现象。 本论文采用合金化活化金属Al的方法，通过添加低熔点金属Ga、In、Sn和Bi形成Al合金。研究了不同配比的Al-Ga二元合金、Al-Ga-In-Sn四元合金和Al-Ga-In-Sn-Bi五元合金与水反应的产氢性能（包括产氢速率与产氢量）。通过XRD、SEM与EDX和DSC分析，对不同组分合金的物相组成、显微结构进行分析，并提出了合金化活化的机理，研究了合金与水反应过程中反应温度、合金中Al含量对合金产氢性能的影响。 Al-Ga二元合金主要由Al(Ga)固溶体组成，合金的产氢速率很低，产氢量很小。Al-Ga二元合金的共晶熔点温度为26.6oC，当反应温度高于26.6oC时合金中出现液相。对于Al-Ga二元合金，形成液相对Al活化来说是必须的，因为溶于液相中的金属铝可以有效地避免被空气中的氧气氧化而不被钝化，因而可以与水反应产生氢气。 Al-Ga-In-Sn四元合金主要由Al(Ga)固溶体、金属间化合物In3Sn和InSn4组成。对于同时含有In3Sn和InSn4相的四元合金，部分In3Sn相和InSn4相生长在一起。整体上，四元合金的产氢速率很快而且产氢量能达到理论值。对于同时含有In3Sn相和InSn4相的合金，其产氢速率远高于只含有单一金属间化合物相的合金。合金中的Al与金属间化合物发生的共晶反应被认为是四元合金活化的机理。 Al-Ga-In-Sn-Bi五元合金主要由Al(Ga)固溶体、金属间化合物InSn4和InBi组成。整体上，五元合金与水反应产生氢气的速率非常平稳、持久和可控，产氢量比较大，因此五元合金适合于在线为燃料电池提供燃料。随着合金中Bi含量的增加，合金的产氢速率先升高后下降；产氢量逐步升高到理论值。五元合金活化的机理包括两个过程：一个过程是Al(Ga)二元共晶的融化；另一个过程是Al和金属间化合物InSn4和InBi的共晶反应。 合金与水反应实质上是合金中的Al与水反应产生氢气，，Ga、In、Sn和Bi作为活化成分，并不参与到与水的反应之中。此外，合金与水的反应为热动力型反应，随着反应温度的升高，产氢速率加快，增加合金中Al含量，合金的产氢速率下降。
【关键词】：合金化 铝合金 产氢速率 产氢量 金属间化合物
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG146.21;TQ116.2
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-25
• 1.1 新能源概述11-14
• 1.1.1 新能源发展背景11
• 1.1.2 新能源发展情况11-14
• 1.2 氢能简介14-19
• 1.2.1 氢气的应用14-15
• 1.2.2 氢气的生产、存储和运输15-18
• 1.2.3 按需在线实时生产氢气18-19
• 1.3 金属铝及汽车行业中废旧铝的现状19-21
• 1.3.1 金属铝的性质19-20
• 1.3.2 汽车行业中废旧铝的现状20-21
• 1.4 铝活化简介21-24
• 1.4.1 铝与酸碱溶液反应21-22
• 1.4.2 球磨活化铝22-23
• 1.4.3 块体合金活化23-24
• 1.5 本论文的选题意义及主要内容24-25
• 第2章 合金样品的制备及测试表征25-31
• 2.1 合金制备25-27
• 2.1.1 实验药品25
• 2.1.2 实验设备25-26
• 2.1.3 合金制备流程26-27
• 2.2 合金表征方法27-28
• 2.2.1 X 射线衍射（XRD）27
• 2.2.2 扫描电子显微镜（SEM）及能谱仪（EDX）27-28
• 2.2.3 差示扫描量热仪（DSC）28
• 2.3 合金产氢性能测试及反应渣28-31
• 2.3.1 合金产氢量的测定30
• 2.3.2 合金产氢速率测定30
• 2.3.3 合金反应渣30-31
• 第3章 Al-Ga 二元合金的研究31-37
• 3.1 Al-Ga 二元体系配比31
• 3.2 合金样品表征31-33
• 3.2.1 Al-Ga 二元体系 XRD31-32
• 3.2.2 Al-Ga 二元合金显微结构32-33
• 3.2.3 Al-Ga 合金 DSC33
• 3.3 Al-Ga 合金产氢性能33-34
• 3.4 Al-Ga 合金活化机理34-35
• 3.5 本章小结35-37
• 第4章 Al-Ga-In-Sn 四元合金的研究37-49
• 4.1 研究 Al-Ga-In-Sn 四元合金的意义37
• 4.2 Al-Ga-In-Sn 四元体系配比37-38
• 4.3 合金样品表征38-43
• 4.3.1 Al-Ga-In-Sn 四元体系 XRD38-39
• 4.3.2 Al-Ga-In-Sn 四元合金显微结构39-41
• 4.3.3 Al-Ga-In-Sn 合金 DSC41-43
• 4.4 Al-Ga-In-Sn 四元合金产氢性能43-47
• 4.5 Al-Ga-In-Sn 合金活化机理47-48
• 4.6 本章小结48-49
• 第5章 Al-Ga-In-Sn-Bi 五元合金的研究49-65
• 5.1 研究 Al-Ga-In-Sn-Bi 五元合金的意义49
• 5.2 Al-Ga-In-Sn-Bi 五元体系配比49-50
• 5.3 合金样品表征50-55
• 5.3.1 Al-Ga-In-Sn-Bi 五元体系 XRD50-51
• 5.3.2 Al-Ga-In-Sn-Bi 五元合金显微结构51-53
• 5.3.3 Al-Ga-In-Sn-Bi 合金 DSC53-55
• 5.4 Al-Ga-In-Sn-Bi 五元合金产氢性能55-60
• 5.5 Al-Ga-In-Sn-Bi 合金活化机理60
• 5.6 Al 含量对合金产氢性能的影响60-62
• 5.7 合金与水反应渣分析62-63
• 5.8 本章小结63-65
• 第6章 结论65-67
• 参考文献67-73
• 作者简介73-74
• 研究生期间发表的学术论文74-75
• 致谢75

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

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3 张国伟;龚光彩;吴治;;风能利用的现状及展望[J];节能技术;2007年01期

4 王运超;;浅析报废汽车中废旧铝料的回收意义及再生工艺[J];汽车工艺与材料;2008年02期

本文编号：1026527