新型储氢材料AlH3的合成工艺研究

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三氢化铝(AlH3)作为一种新型的轻金属氢化物固态储氢材料,本身已克服高压气态储氢和低温液态储氢的储氢容量低、成本高、安全性差等技术性问题,加上其具有较高的储氢容量,质量和体积储氢密度分别为10.08%和148g H2/L,和较低的释氢温度,即在经过物理或化学改性处理后,可在低于100℃的低温下较快释氢,其在理论上已满足美国能源部(DOE)提出的车载储氢的最终容量目标(7.5wt%,70g H2/L),且有望达到车载储氢的最终操作温度目标(-40~85℃),因而成为低温质子交换膜(PEM)燃料电池领域极具潜力的储氢载体。  为了制得这种储氢性能良好的AlH3产品,本文概述了近年来AlH3合成方法的研究进展,经比较发现,经典的液相有机金属合成路线依然具有较大优势,即对设备要求低,操作简便,成本低,产率高,易于分离提纯等。故本文在经典的有机金属合成理念的基础上,即由醚合反应(Ⅰ)和脱醚反应(Ⅱ)两步法合成,对制备α-AlH3晶体的整个工艺过程进行实验探索,从而找出最佳的合成工艺条件,使合成方法更加地成熟稳定。  本文研究工作如下:分别对(Ⅰ)(Ⅱ)两阶段的工艺参数进行研究,得出制备α-AlH3的最佳工艺条件;并分别对两阶段反应产物进行了物质结构、热力学特性及形貌分析;还对制得的α-AlH3样品进行了放氢实验;作为初步探索实验,还将制得的α-AlH3样品与氢化钠(NaH)进行固相机械球磨反应,对不同球磨时间的复合储氢体系进行了物质组成、热力学和放氢分析。  实验结果表明:无水无氧环境下,在-15~-20℃低温下配制 LiAlH4、无水AlCl3和LiBH4的乙醚溶液,使其以4:1:1的摩尔比在-15~-20℃低温下磁力搅拌反应1h,制得AlH3·xEt2O中介物,以其为反应原料,氩气保护下加入到无水甲苯中,90℃下恒温脱醚1.5h,可制得产率为96.4%,纯度为91%的单一晶相的α-AlH3晶体。LiAlH4在脱醚反应中作为引发剂,不可或缺;LiBH4充当结晶助剂,可显著提高α-AlH3结晶度。放氢实验表明放氢量高达5.1wt%,放氢温度160~200℃,电镜扫描(SEM)显示主要呈均匀薄片状结晶(700nm),也有较多结晶较好的立方六面体块状结晶,晶粒尺寸800~1200nm。另外将其与NaH混合球磨20h即有NaAlH4产生,复合储氢体系的放氢过程呈现出规律性的变化。
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