离子液体中制备Mg-M(Cu、Ni)双金属粉

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镁基储氢合金具有吸氢量大,电化学储氢容量高,密度小、价格低廉、环境负荷小以及吸放氢平台好等优点,是最具发展前景的储氢材料之一。置换扩散法由于设备及操作简单、所得合金粉末易于活化,吸放氢动力学性能较好等优点,是制备镁基储氢合金的一种有效方法。但是水与金属镁会发生激烈的化学反应,不能作为镁置换反应的溶剂。离子液体由于具有挥发性小、热稳定性高、液态范围大、电化学窗口宽、可溶解许多无机物等优越性能,可作为化学置换法制备双金属粉的良好替代溶剂。镁铜、镁镍双金属粉是制备镁铜、镁镍储氢合金的一种中间产物,也是制备镁铜、镁镍储氢合金的关键性步骤。因此,本论文采用置换法在离子液体中可控制备出特定组分的镁-过渡金属(镍、铜等)双金属粉体。具体研究内容包括:第一,制备离子液体氯化1-丁基-3-甲基咪唑(BMIC),并采用红外光谱、水分测试、电化学测试等手段对其结构及性能进行了表征。分析结果表明:合成离子液体即为目标离子液体,离子液体的水含量可控制在千分之三以下,电化学窗口为2.8V,可以满足金属镁置换过渡金属反应的需求。第二,通过响应曲面实验中心组合设计和单因素实验,反应时间,搅拌速度对铜置换率影响显著;优化反应条件为温度100℃,时间4h,搅拌速度200r/min。第三,通过实验测定了BMIC离子液体中镁置铜换反应的动力学行为,结果表明动力学数据符合一级反应速率方程,在100℃镁置换铜的反应速率常数为k=0.285h-1,其反应速率受搅拌、温度、初始铜离子浓度影响,通过搅拌,升高温度,降低铜(Ⅱ)离子的初始浓度,可以有效提高反应的速率常数。通过阿伦尼乌斯公式拟合反应速率常数与温度的相互关系,得到表观活化能13.6kJ/mol,表明置换过程主要受扩散控制,铜离子扩散速度常数是ke=0.022。Evans表明,溶液中铜离子的浓度在0.005-0.5mol/L的范围内,镁置换铜的反应速率均受扩散控制,与实验结果一致。第四,通过实验测定了BMIC离子液体中镁置换镍反应的动力学行为,结果表明动力学数据同样符合一级反应速率方程,100℃时镁置换镍的反应速率常数是k=0.171h-1,其反应速率受搅拌、温度、初始铜离子浓度影响,通过搅拌,升高温度,降低镍(Ⅱ)离子的初始浓度,可以有效提高反应的速率常数。通过阿伦尼乌斯公式拟合反应速率常数与温度的相互关系,得到表观活化能24.83kJ/mol,表明置换过程主要受扩散控制,镍离子扩散速度常数是ke=0.013。Evans表明,溶液中镍离子的浓度在0.005~0.5mol/L的范围内,镁置换镍的反应速率均受扩散控制,与实验结果一致。第五,对置换所得的不同镁镍双金属粉末进行热处理,通过XRD分析表明,可以得到Mg2Ni合金。
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