α-AlH3热分解释氢及点火燃烧特性研究

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三氢化铝(AlH3)作为一种理想的氢能源载体,由于其较高的储氢量、低温快速释氢、毒性小等特点成为国内外储氢材料的研究热点,但AlH3自身的热分解释氢及点火燃烧特性尚未被完全揭示。本文借助热重试验台开展热分解释氢及氧化实验,分析了不同粒径、不同气氛对其热分解及氧化特性的影响;并借助SEM、XRD、XPS、EDS等测试手段对冷凝产物进行分析,研究其热分解及氧化过程中微观形貌及成分变化。还开展了AlH3点火燃烧实验,研究了粒径、氧浓度等因素的影响;最后对Al/AlH3不同质量配比下的样品进行激光点火燃烧,研究AlH3对Al点火燃烧特性的影响。本文的主要研究内容及结论如下:(1)氩气气氛中的热重曲线表明,AlH3释氢阶段为典型的“S”型曲线,分为感应、加速及衰减三个阶段;空气气氛中,AlH3的热反应分为三个阶段:分解释氢阶段、Al一次氧化阶段和Al高温氧化阶段。动力学分析表明,样品粒径越小,起始分解温度越低,活化能越低;中位径为21.88μm的AlH3的热分解释氢及氧化性能最好;且在氩气气氛中热分解阶段活化能均远低于空气气氛下,惰性气氛和降低AlH3粒度尺寸能提高其热分解释氢性能。(2)TG-MS结果显示:空气气氛中主要气体产物种类有m/z 2(H2),m/z 18(H2O)和一些少量的m/z 17(OH)离子峰,表明加热过程中氢气首先出现,然后氢气被氧化生成水。而在氮气气氛中几乎只存在m/z 2(H2)离子峰,且氮气气氛下释放H2的含量远高于空气气氛,表明氧化气氛会抑制AlH3的热分解释氢。冷凝产物的SEM和XRD结果表明:AlH3样品表面出现作为氢气释放通道的缝隙和孔隙结构;剩余的铝发生氧化并出现团聚现象;XPS和EDS结果表明,AlH3在空气气氛中的热反应遵循以下过程:AlH3的热分解释氢生成H2和单质Al,然后Al发生氧化反应,以及完成γ-Al2O3向α-Al2O3的转化过程。(3)激光点火实验结果表明:AlH3在燃烧过程中火焰的演变过程分为发展、稳定和衰退阶段,由于氢气气流的作用存在火焰面脱离样品表面的现象。粒径由21.88μm增大到86.16μm,点火延迟时间由12 ms增大到130 ms,燃烧时间由238 ms减少至80 ms,减小AlH3粒径,可有效提高其点火燃烧性能;随着气氛中氧气含量的提高(25%、50%、75%、100%),火焰亮度和高度均增加,燃烧强度增大;最大温度由1394.6℃增加到1810.3℃,点火延迟时间由10 ms减少到2 ms,燃烧时间由1026 ms降低到366 ms;纯Al燃烧时火焰紧附样品表面,而Al/AlH3混合样品燃烧时,由于释放氢气的影响,火焰在样品上方燃烧,最大火焰高度和亮度均大于纯Al,Al/AlH3不同质量配比下(1:1、3:2、2:1)的混合样品点火延迟时间分别是18 ms、12 ms、9 ms,最大光谱强度分别为1262、1680、3140,添加AlH3对Al的燃烧有明显的改善作用。在本文实验范围内,当Al/AlH3质量比为2:1时,点火延迟时间最小,最大光谱强度及平均燃烧强度最大,燃烧性能最好。
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