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储氢材料热力学的分析不但对吸放氢性能测试有理论指导意义,而且对储氢材料的研究、开发和利用也有极重要的实际意义。对镁基储氢材料进行热力学研究,有助于揭示材料吸放氢的反应过程及热力学规律。动力学分析可得到材料在不同温度下吸放氢的活化能,评估材料在某条件下反应的可能性及反应速率的快慢,从而为储氢材料在氢燃料电池领域的应用提供可行性信息。 用碱熔、酸洗、碳化处理制得的微晶碳做助磨剂,球磨金属镁3h,制得储氢材料70Mg30C。实验表明,在氢气反应球磨过程中镁氢化为MgH2;分别用差示扫描量热法、程序升温脱附法、质谱法测定的材料放氢特征温度(初始温度、高峰温度、结束温度)有差异,其中质谱法滞后最多,程序升温脱附法次之;根据300~380℃的p-c-T曲线用范特霍夫公式计算出的放氢焓变为42.7 kJ/mol,用差示扫描量热法吸热峰积分求得的吸热量为38.4 kJ/mol,二者有一定差异。 在等温条件下用体积法进行放氢测试,根据放氢数据用Arrhenius方程计算出的放氢活化能为104.85 kJ/mol。在变温条件下用程序升温脱附法测得材料的TPD曲线,用Kissinger方程和Sharp方程分别对材料的活化能进行计算。Kissinger方程求得的活化能为105.87 kJ/mol;当升温速率为5℃/min、10℃/min和15℃/min时,Sharp方程求得的活化能分别为108.33 kJ/mol、98.70 kJ/mol和113.19 kJ/mol。等温法和非等温法均可用于放氢活化能的计算,由于公式、原理、采用数据等方面的不同,求得的活化能有差异。 影响储氢材料放氢热力学和动力学的因素有很多,粒度就是其中之一。用扫描电镜和原子力显微镜观测可见,颗粒的平均粒径约为100 nm,颗粒大小主要分布在50~100 nm之间,而透射电镜观测的颗粒大小主要集中在50 nm左右。扫描电镜图的粒度分布近似为对数正态分布,粒度分布范围为25~260 nm。结合课题组前期工作得知,随着粒度的减小,材料的储氢量随之增加,材料的初始放氢温度和放氢高峰温度随之降低,纳米限域的材料可以改善其热力学和动力学性能。Materials Studio软件计算结果显示位于表面上的H原子结合成H2时所克服的能垒最高,是MgH2放氢动力学缓慢的主要因素。