镁基硼氢化物储氢材料的性能调控及其机理研究

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氢能是一种极具发展潜力的清洁能源,开发安全、高效和经济的固态储氢技术是实现氢能实用化的关键。Mg(BH42因具有高的理论储氢密度(14.9 wt%)而受到广泛关注,但由于存在热力学性能过于稳定、放氢动力学差等缺陷,制约了其实际应用。本文通过添加剂掺杂、限域高容量衍生物、多相复合等手段,实现了对Mg(BH42基储氢材料吸放氢热力学和动力学的调控,并揭示了相应的改性作用机理。首先,使用高浓度HF溶液腐蚀的方法,成功制备了典型的类手风琴状的Ti3C2MXene材料,通过球磨法和湿化学法将其引入Mg(BH42储氢体系。系统研究了Ti3C2MXene作为添加剂对Mg(BH42的影响。结果表明,催化改性后体系的初始放氢温度为82℃,并且在260℃时可以释放7.5 wt%的氢气,均比同等条件下的Mg(BH42性能优异,同时放氢活化能得到显著降低。Ti3C2 MXene表面的-F终端基团参与了放氢反应,生成的MgF2促进低温放氢。进一步研究了Ti3C2 MXene作为限域材料对Mg(BH42·6NH3的影响。结果表明,限域后体系的初始放氢温度降低至50℃,放氢过程中Ti3C2 MXene层状结构的层间距可以实现有效的调控,并且放氢产物中出现了Mg3B2N4,提升了放氢纯度。两种方式引入的Ti3C2 MXene均对储氢材料具有空间限制作用,产生的纳米尺寸效应可以改善放氢性能。其次,将NaBH4与Mg(BH42球磨混合,获得Mg(BH42-NaBH4复合体系。研究表明,两者的混合为物理混合,加热放氢阶段发生共晶熔融现象,使Mg(BH42-NaBH4复合材料的初始放氢温度相比纯Mg(BH42和NaBH4分别降低了10℃和272℃,热力学性能显著提升,动力学性能需进一步改善。最后,以NdF3为添加剂,球磨引入至Mg(BH42-NaBH4复合体系。研究表明,催化改性后体系的初始放氢温度降低至174℃,在300℃时的放氢速率与放氢容量得到改善,并且具有一定的可逆性。NdF3作为Mg(BH42-NaBH4的失稳剂,参与了放氢反应,生成NaMgF3促进反应进行。球磨过程中NdF3的均匀分散和NaBH4颗粒尺寸的骤降显著提升了放氢动力学性能。
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