LiMH4(M=B或Al)复合体系的储氢特性研究

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氢能具有安全高效、环境良好的优点,氢的储存技术是其实际应用的关键问题之一。本文在引出固态储氢技术的技术上,重点介绍了配位氢化物,尤其是LiBH4和LiAlH4的研究现状及存在的问题。在此基础上,构建并制备了6LiBH4/YbH2.5、xLiAlH4/yLiBH4/MgCl2和3LiAlH4/g-C3N4复合储氢体系,通过压力–组成–温度设备(Pressure-Composition-Temperature,p-c-T)、X射线衍射仪(X-ray diffraction,XRD)、傅里叶变换红外光谱仪(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)、差示扫描量热仪(differential scanning calorimetry,DSC)、扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)、能谱仪(Energy dispersive spectrometer,EDS)等手段系统研究了复合体系的储氢性能及机制。通过高压球磨和高温氢化制备了氢化物YbH2.5,然后机械球磨得到6LiBH4/YbH2.5复合体系。研究发现,复合体系起始放氢温度为300oC,放氢结束温度为500oC,放氢量达6.6 wt.%。YbH2.5的加入对Li BH4的放氢过程具有促进作用,复合体系的放氢表观活化能Ea为68 kJ/mol。通过p-c-T测试发现,6LiBH4/YbH2.5复合体系有两个放氢平台,即放氢反应分两步进行,高平台反应为:6LiBH4+YbH2.5→1/2LiYb(BH44+1/4YbB4+1/4YbB12+11/2Li H+13/2H2,反应焓变和熵变分别为74kJ/mol H2和126 J/(mol·K)H2。低平台反应为:1/4YbB4+1/2LiYb(BH44+1/4YbB12→YbB6+1/2LiH+15/4H2,反应焓变为53 kJ/mol H2,熵变为84 J/(mol·K)H2。构建了xLiAlH4/yLiBH4/MgCl2复合体系,通过改变球磨时间发现,球磨时间会对球磨产物组成产生明显影响,当球磨时间达到30 h时,2LiAlH4/LiBH4/MgCl2复合体系会完全生成Li Mg(AlH42(BH4)和LiCl。通过改变原料配比发现,当x由2降低到1(y=3-x)时,产物中Li Mg(Al H42(BH4)的量逐渐减少,而LiMg(AlH4)(BH42的量逐渐增加。与Mg(AlH42(at LiCl)和Mg(BH42(at LiCl)相比,LiMg(AlH42(BH4)和LiMg(AlH4)(BH42的放氢过程都可分为三步,但放氢性能有所改善,起始放氢温度在100oC左右。通过高温煅烧二氰二胺制备了高纯度的g-C3N4,然后将g-C3N4和LiAlH4通过机械球磨复合得到3LiAlH4/g-C3N4复合体系。研究发现,复合体系的起始放氢温度为120oC,在200oC结束放氢,放氢量可达5.8 wt.%。相对于纯LiAlH4,复合体系的起始和结束放氢温度均明显降低。动力学性能测试表明,3LiAlH4/g-C3N4复合体系的放氢过程为放热反应,放氢反应的活化能为121 kJ/mol。复合体系在放氢过程中放出的大量热可进一步促进放氢反应的进行,并提高体系的放氢动力学性能。放氢产物的XRD和FTIR分析发现,g-C3N4的加入完全改变了LiAl H4的放氢反应路径。SEM和EDS分析表明,机械球磨使3LiAlH4/g-C3N4复合体系成分均匀,从而有利于其放氢性能的提高。
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