硼氢化钠—氟化钪复合储氢体系制备及其可逆吸放氢机理研究

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“氢能经济”对现代社会发展的推动和促进作用日益凸显,是未来能源可持续发展的最佳途径之一,其中储氢材料是氢能利用的重要环节。硼氢化钠(NaBH4)是一种质量储氢密度与体积储氢密度较高、价格低廉、兼具安全性与稳定性的固态储氢材料,在未来储制氢领域具有广阔的应用前景。然而,纯NaBH4的放氢温度在565°C以上,且放氢产物无法实现吸氢,即不具有可逆性,因此NaBH4在储氢领域的应用受限。本论文考虑通过添加3d过渡金属氟化物构建NaBH4基复合储氢体系,克服纯NaBH4在储氢方面的劣势。利用XRD、DSC/TGA、FTIR、PCT等测试手段,对NaBH4基二元及多元储氢体系的吸/放氢热力学和动力学行为、各反应阶段物相组成及反应机理进行了分析讨论,所得研究成果包括:采用球磨法制备了3NaBH4/ScF3复合储氢体系,XRD测试显示球磨过程仅为机械混合,没有发生化学反应。复合体系加热后的初始放氢温度为300°C左右,并且在420°C和520°C分别进行第二步和第三步分解放氢过程,总放氢量为5.54 wt.%。添加物ScF3中的F-可以对NaBH4中的H-进行部分取代,通过形成NaBHxF4-x的结构降低放氢反应温度,实现放氢热力学性能的提升;而Sc3+与B形成ScB2有助于复合体系吸氢可逆性的实现。测试结果表明,3NaBH4/ScF3体系完全放氢产物(NaF、B和ScB2)不具有吸氢可逆性,而第二步放氢后的产物(Na3ScF6、NaBF4和ScB2)可在420°C,3.2 MPa氢压下8小时吸氢1.59 wt.%,即3NaBH4/ScF3复合储氢体系具有部分可逆性。在对3NaBH4/ScF3复合体系研究的基础上,本论文进一步引入稀土氟化物YF3,采用球磨法制备了3NaBH4/0.5ScF3/0.5YF3复合储氢体系。对其储氢性能进行研究发现,3NaBH4/0.5ScF3/0.5YF3复合体系可在130°C开始放氢反应,并且放氢过程可以分为3个连续的阶段。通过等温吸氢曲线测试计算可知,该复合储氢体系的吸氢激活能为233.45 kJ·mol-1 H2,且完全放氢产物在380°C下可以实现2.15 wt.%的可逆吸氢。XRD及FTIR测试结果表明,稀土氟化物YF3对复合体系可逆性的提升起到了主要作用,有助于吸氢实现NaBH4的再生,同时也使得NaBH4-ScF3完全放氢产物产生了部分可逆吸氢。
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