产氢用Al-Ga-In-Sn四元合金的制备

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随着工业环境污染日益加重,化石燃料的不断紧缺和需求量的日益上升,全世界都在寻找既经济又有效的替代能源,以填补能源供应留下的缺口。近些年来,大量的替代能源(核能、太阳能、风能、地热能等等)已经开始逐渐取代石油在并网系统中的应用,但没有一种新能源能够像石油那样方便的储存、运输、供能。某种新能源如果想要取代石油在离网应用中的地位,必须具备以下一些特点:能够大规模生产,储存、运输便捷、安全,能量密度大且供能过程中没有污染物的生成。氢气是一种公认的清洁能源,本身无毒、燃烧时释放热量极大,不产生任何污染物。目前阻碍氢能源利用推广的主要是氢气的储存运输问题。气态液态储氢导致用氢运输成本高,储氢材料储氢又面临氢储量低和放氢条件苛刻等问题。因此,想要大规模推广氢能源,就要解决或是避开氢气储存和运输的瓶颈。镓铟锡合金与水反应作产生氢的方法利用了铝较高的化学活性。常温下铝遇到水表面会由于生成致密的氧化膜将铝和水隔开而难以反应,因此掩盖了其活性。破坏这一氧化膜的方法主要有两种,一是球磨铝粉至纳米级别,其与水剧烈反应放出氢气。另外一种是将铝和低熔点金属制成合金,反应过程中,低熔点金属能够阻止氧化膜的形成,保证反应持续进行。本实验中利用金属熔炼炉熔化Al、Ga、In、Sn,并在室温下浇筑成型,制成四元合金板。X射线衍射分析图谱显示,该合金主要表现铝的特征峰,金属间化合物In3Sn和InSn4与原料中In、Sn的加入量有关。扫描电镜图像看到为退火的样品表面存在大量的缺陷和裂纹,这些缺陷和裂纹促进了合金与水的反应。由于成分之间的密度不同和熔点差异,合金内部存在着明显的成分偏析,经过退火工艺之后,成分偏析有所好转。实验过程中,液态共晶中的Al运动到共晶表面与水反应,而共晶又会溶解周围的Al直至反应结束,理论上这一反应可以将铝全部消耗。DSC图像显示,合金内出现液相的温度约在12℃,这一温度也是反应能够发生的最低温度。通过排水集气法对收集到的氢气进行记录,发现制备的几种合金样品产氢率最高可达97%以上,产氢速率最快可达478ml/min。通过控制合金的退火工艺、反应的水解温度等可以对合金水解速度,即持续产氢时间进行控制。由于本合金目的是替代石油的离网应用,因此,对于野外作业用能,潜艇水下动力用能等有着广泛的应用前景,考虑到实际环境中水的状况,对水中一些离子对四元合金产氢性能的影响也进行了简单研究。
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