铝水解产氢特性研究

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利用铝水解制取氢气是目前便携式氢源领域的一个研究热点,然而由于金属Al表面致密氧化膜的存在,铝水解产氢反应在常温下通常无法顺利进行。因此如何消除铝表面已形成的氧化膜或在制备和储运过程中保持铝的活性,是实现铝水解产氢反应顺利进行的一项关键技术。针对上述问题,本文主要开展添加汞齐和石墨对Al水解产氢特性的研究,探讨了制备工艺条件对Al水解产氢特性的影响,并对水解机理进行了分析。主要研究结果如下:(1) Al-汞齐体系水解产氢实验。采用专利设计的反应器开展了Al-汞齐水解制氢研究,结果表明Al表面覆盖上汞齐后,Al的水解活性提高。锌汞齐相比于纯Hg,对Al的活化作用更加明显;Al表面覆盖上锌汞齐时,65oC下的最大产氢速率为43.5cm3h-1cm-2,反应活化能Ea为43.4kJ mol-1,Al表面覆盖Hg时,在该温度下的最大产氢速率为13.7cm3h-1cm-2,反应活化能Ea为78.4kJ mol-1;温度的升高显著提高了Al-汞齐体系的水解反应速率;XRD物相分析和显微结构观察证实了铝水解反应发生在汞/水(Hg/H2O)的界面上,在汞或锌汞齐薄层中迁移的粒子是Al微粒,而不是其他物质。据此,提出了汞齐活化铝的水解产氢过程机理模型,即(i)铝的溶解;(ii)铝微粒的迁移;(iii)铝微粒的水解。(2)开展了石墨对铝水解产氢性能的影响研究。采用机械球磨工艺制备了Al-C-NaCl粉末。结果发现增加C含量、延长球磨时间、升高反应温度都能缩短水解反应的诱导时间,提高Al的水解产氢量和产氢效率。粉末球磨后形成的“核-壳”结构是改善粉末水解性能的重要原因。C的加入起到了“保护层”的作用,抑制了Al表面氧化膜的形成。当Al表面被石墨层覆盖时,水分子很容易穿过石墨层到达金属Al表面与水反应产生H2。(3)研究了制备工艺对Al-C-NaCl粉末水解产氢特性的影响。结果发现Al-C粉末的水解产氢量随着NaCl含量的增加而缓慢提高。NaCl含量为10wt.%-50wt.%时,产氢量基本相同,为1280cm3g-1Al,产氢效率为94.2%;金属Al粉的颗粒尺寸越小,粉末的水解产氢量和产氢速率越大;片状的Al-C-NaCl复合材料水解性能不如粉末状的Al-C-NaCl材料;Al-C-NaCl粉末抗空气氧化性能较差,应该隔绝空气保存;温度的升高能显著提高粉末的水解产氢特性。水浴温度为75oC时,粉末的水解产氢速率最大,达到52.4cm3min-1g-1Al,反应活化能为57.3kJ mol-1
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