铝粉表面的活化及其制氢性能的研究

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当今世界面临的两大问题为:环境污染和能源危机,开发和发展新能源产业是解决环境污染以及能源危机的关键。氢气作为一种众所周知的二次能源,其环境友好性,高能量性引起了人们的广泛关注与研究,目前大力发展利用氢能是解决能源问题的一大途径。在常见的制氢材料中,铝基制氢材料有着独特的优势。金属铝作为一种轻金属,价格便宜,地壳含量大。并且与其它的金属基制氢材料相比,铝基制氢材料的单位质量产氢量要大很多,储氢密度高,这是铝基制氢材料的一大优势。但是,由于单质铝的亲氧性,令其易于氧气反应,被氧化成三氧化二铝包裹在铝粉表面,形成一种钝化层起到了钝化铝的作用。氧化铝在一般状态下比较稳定,能阻隔内部的单质铝与外部的水的接触进行反应。换而言之,要想提高铝粉与水反应产生氢气的活性,就要破坏阻碍其反应的氧化铝钝化膜。本论文通过添加BiCl3和SnCl2两种无机盐,充当铝粉的活化剂,达到活化铝的功效。制得的材料为Al-BiCl3复合材料和Al-SnCl2复合材料,关于两种材料的研究如下所述:(1)采用机械球磨的方法制备Al-BiCl3复合水解制氢材料,分别对球磨时间、活性剂添加量、原料铝粉的粒径以及此材料在空气环境的稳定性进行探究。在此材料的制备过程中机械球磨环境为空气环境,并且未没有添加其他的助磨剂,在一定程度上降低了对实验仪器设备的要求,节省了能源,降低了生产成本。通过对铝粉中加入BiCl3能有效的增加铝粉的活性,提高铝与水反应的转化率,最高转化率为98.58%,产氢量为1198mL/g,每克复合材料的产氢量为10.7g,达到了一个很高的产氢量水平。铝与BiCl3在球磨过程中发生置换反应,生成单质铋,破坏铝表面致密氧化层,提高铝与水的反应活性。适当的增加球磨反应的时间,有助于铝粉活性的增强,过长的球磨时间则不利于铝粉活性的增加。球磨时间为5小时时,铝粉的转化率最高为98.58%。Al-BiCl3复合材料最佳的活性添加剂的质量分数为10%,活性添加剂的增加有助于铝粉粒径变得更小,但是添加量过多也不利于铝粉活性的增强。将25μm的铝粉与100目200目(75μm150μm)的铝粉进行实验对比,得知同样的实验条件下,粒径更小的铝粉所制得的复合材料其反应活性更大,粒径越小,其活性越大,也越容易对其进行活化改性。在空气环境中放置一段时间(约60天),此材料仍能达到一个较好的转化率水平。(2)采用机械球磨的方法制备Al-SnCl2复合水解制氢材料,研究了球磨时间、活性剂添加量、产品在空气环境的稳定性。铝粉中加入活性添加剂SnCl2能有效的增加铝粉的活性,提高铝与水反应的转化率,最高转化率为96.91%,产氢量为1034mL/g,每克复合材料产氢量为9.23g,达到了一个很高的产氢量水平。经过对实验机理的一系列探究,得知铝与活性添加剂SnCl2在球磨过程中通过球磨接触发生置换反应,生成单质锡,以达到活化铝的功效。另外,通过对球磨时间的探究发现,适当的增加球磨反应的时间,有助于铝粉活性的增强,过长的球磨时间则不利于铝粉活性的增加,会导致材料的结块,从而影响材料的活性,降低其最终转化率,球磨时间为5小时最佳。通过对活性添加剂添加量的一个探究,确定了Al-SnCl2复合材料最佳的活性添加剂的质量分数为20%,活性添加剂的增加有助于铝粉粒径变得更小,但是添加量过多也不利于铝粉活性的增强。将此复合材料放置在空气中060天仍能保持一个较好的活性。
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