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近年来,具有18电子结构的Mg2FeH6和Mg2CoHs因具有较高储氢容量和低廉的成本,而成为较有前途的储氢材料之一。本论文首先综述了国内外关于Mg2FeH6和Mg2CoHs两种储氢材料的研究现状以及目前存在的问题。针对Mg2FeH6和Mg2CoHs制备困难以及较差的吸放氢热力学和动力学问题,本论文主要围绕纳米晶MgaFeH6和Mg2CoH5的制备及储氢性能开展研究工作。主要内容如下所述:
(1)在室温和较低氢压(5.5 bar)下,以微米Mg和纳米Fe(摩尔比为3:1)为原料,通过优化球磨时间至100 h,制备了纳米晶MgaFeH6。Reitveld精修计算表明在制备样品中MgaFeH6所占百分比为90.1 wt%。在制备的样品中除了Mg2FeH6以外,还有少量的Fe和MgO,TEM分析表明:它们表现出一种类菊花状的形貌,其粒径大小约为100-200 nm,这种类菊花状的形貌是由大小约为10-20 nm的小颗粒堆积而成的。
热重(TG)分析表明:该储氢材料的起始放氢温度为335 K,失重分两步进行,总失重量为5.15 wt%;利用PCT测试以及Vantt Hoff方程推测出其放氢焓变和熵变分别为-67.2士8kJ·mol-1 H2和-120.1士15 J-mol-1·K-1 H2。
(2)在氩气气氛下以微米MgH2和纳米Fe(摩尔比为3:1)为原料,转速为520 rad/min,球磨50h制备了纳米晶MgaFeH6。经分析,在最终制得样品中只有Mg2FeH6和少量的MgO,其质量百分含量分别为91.4和8.6 wt%。制备的Mg2FeH6样品的晶粒尺寸较小,约为10-30 nm左右。
储氢性能测试表明:制备的纳米晶MgaFeH6具有较低的吸放氢温度(503K),并且其吸放氢过程的滞后效应较小。通过Vantotlloff方程求得其放氢反应的焓变和熵变分别为-42.8士2 kJ·mol-1 H2和-72.0±3 J·mol-1·K-1 H2,这有利于降低MgaFeH6的稳定性,进而降低其吸放氢反应的温度。在503 K,经过三次吸放氢循环测试后其吸放氢P-C-T曲线几乎是重合的,吸放氢过程的滞后效应较小,这说明本实验制得的纳米晶Mg2FeH6具有较好的循环稳定性,这是在目前关于Mg2FeH6的循环稳定性报道中从未见过的结果。在温度为503 K,氢气压力为0.06 bar时,70 min的时间内,制备的纳米晶Mg2FeH6放出2.5 wt%的氢气。
(3)在氩气气氛下,以微米MgH2和纳米Co(摩尔比为5:2)为原料,520tad/rain的转速下,球磨10 h成功制备了颗粒大小约为20 nm的Mg2CoHs。这为今后Mg2CoH5的制备提供了一个新的思路。
P-C-T测试结果表明:制备的纳米晶Mg2CoH5样品具有较低的放氢温度,在523 K时,便放出约2.6 wt%的氢气。吸放氢动力学性能测试表明:在543 K时,在吸氢过程中,在仅仅7 min的时间内其吸氢量便达到1.5 wt%,而对其放氢而言,在0.06 bar的氢气压力下,在100 rain的时间内,其放氢量达到1.5 wt%,说明制备的Mg2CoHs样品具有较好的吸放氢动力学。