【摘要】：氫能是清潔的優(yōu)質(zhì)能源,在其應(yīng)用中,氫氣儲存技術(shù)仍存在許多問題亟需解決。金屬鎂因其具有儲氫密度高、來源廣泛和價格低廉等特點,成為了最有前景的儲氫材料之一,然而,較差的吸氫動力學(xué)性能與較高的熱力學(xué)穩(wěn)定性限制了其應(yīng)用。碳材料因其儲氫密度大和不易受雜質(zhì)氣體影響等特點近年來引起了研究人員的極大興趣。金屬鎂與碳材料單獨儲氫時的條件都相對苛刻,但將兩者混合進行充氫球磨,則可同時改善金屬鎂和碳材料的儲氫性能。本文通過實驗表征和第一性原理計算,探究了鎂碳在儲氫過程中的耦合機制。利用無煙煤通過脫灰和碳化處理制得微晶碳,并通過機械球磨法制備鎂碳復(fù)合儲氫材料。借助掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、X射線衍射儀(XRD)和傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR)等儀器設(shè)備,對金屬鎂、微晶碳和鎂碳復(fù)合儲氫材料的形貌、結(jié)構(gòu)以及儲氫性能等性質(zhì)進行分析。實驗結(jié)果表明,金屬鎂粉儲氫效率低,在420℃、2.0 MPa H2環(huán)境中前10 h幾乎不儲氫;微晶碳無法進行大量儲氫,在360℃、2.0MPa H2環(huán)境中8h內(nèi)儲氫量為0wt%;氫氣氣氛下球磨可以使金屬鎂發(fā)生氫化反應(yīng),生成氫化鎂,經(jīng)過3 h球磨Mg的儲氫量可以達到5.5 wt%,與此同時,微晶碳的儲氫性能也得到了改善,材料中出現(xiàn)了大量C-H鍵。以上結(jié)果說明金屬鎂與微晶碳之間存在可以改善兩者儲氫性能的耦合機制。另外,通過球磨法制備的鎂碳復(fù)合儲氫材料的放氫表觀活化能與塊狀氫化鎂相比也有所降低,說明微晶碳的添加同時也改善了材料的放氫反應(yīng),降低了反應(yīng)的活化能。為探究金屬鎂和微晶碳耦合儲氫的機制,通過對金屬鎂和微晶碳結(jié)構(gòu)的分析,借助第一性原理計算,研究了空位、摻雜和位錯等缺陷對H2在金屬鎂和微晶碳模型上的吸附、解離和擴散等行為的影響。結(jié)果表明,空位缺陷的引入不利于H2在Mg(0001)晶面和graphite(0001)晶面的吸附,但對H2在兩個晶面上的解離有不同程度的改善作用�？瘴蝗毕菀矔䦟的擴散產(chǎn)生影響,其中,H在空位缺陷Mg(0001)晶面的擴散所需克服能量位壘降為26.56 kJ/mol,而在空位缺陷graphite(0001)晶面的擴散所需克服的能量位壘則提高至294.54 kJ/mol。元素摻雜不利于H2在Mg(0001)晶面和graphite(0001)晶面的吸附,但可以改善H2的解離。晶面滑移形成的C摻雜Mg(0001)滑移晶面不利于H2的吸附,但也可以改善H2的解離,使H2解離能量位壘降低至92.73 kJ/mol。綜合實驗和模擬計算的分析結(jié)果,鎂碳耦合儲氫機制可描述為,微晶碳表面C原子脫落形成了空位缺陷結(jié)構(gòu),脫落的C原子又引發(fā)鎂晶體結(jié)構(gòu)的改變,使得金屬鎂中形成C摻雜結(jié)構(gòu),微晶碳和金屬鎂結(jié)構(gòu)的改變使得兩者的吸氫性能得到改善。與此同時,Mg原子的脫落使得金屬鎂中也形成了空位缺陷結(jié)構(gòu),脫落的Mg原子與微晶碳結(jié)合使得微晶碳中形成了 Mg元素摻雜結(jié)構(gòu),金屬鎂中的空位缺陷結(jié)構(gòu)和微晶碳中的Mg元素摻雜結(jié)構(gòu)令H原子由鎂表面向微晶碳表面遷移的過程變得更加容易,改善了金屬鎂的放氫性能,并增加了微晶碳的吸氫量。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：山東科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TB34

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前8條

1 吳其勝;光鑒淼;諸華軍;鄒小童;朱哲譽;;鎳渣機械力化學(xué)效應(yīng)及其對反應(yīng)活性的影響[J];材料科學(xué)與工藝;2016年03期

2 彭秧錫;陳啟元;劉士軍;胡惠萍;金小容;;機械化學(xué)的研究發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J];材料科學(xué)與工藝;2009年01期

3 盧國儉;周仕學(xué);馬懷營;譚琦;;反應(yīng)球磨法制備鎂/碳納米復(fù)合儲氫材料[J];功能材料;2007年07期

4 尚福亮;楊海濤;韓海濤;;金屬儲氫材料研究概況[J];稀有金屬快報;2006年02期

5 于振興,孫宏飛,王爾德,梁吉,房文斌;添加碳納米管鎂基材料的儲氫性能[J];中國有色金屬學(xué)報;2005年06期

6 閆曉琦,袁華堂,張松林,張坤,孫波,高學(xué)平,宋德瑛;鎂基合金與碳納米纖維復(fù)合儲氫材料的制備與性能研究(Ⅰ)——以化學(xué)鍍Ni碳納米纖維為前驅(qū)物熱擴散法合成Mg_2Ni-CNFs復(fù)合儲氫材料[J];南開大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2004年04期

7 謝衍生;孫岳明;傅巖;雷立旭;;儲氫材料的發(fā)展概況[J];材料導(dǎo)報;2004年05期

8 楊華明,邱冠周,王淀佐;超細粉碎機械化學(xué)的發(fā)展[J];金屬礦山;2000年09期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 張健;鎂及其合金氫化物吸放氫性能及電子機制研究[D];湖南大學(xué);2009年

，

本文編號：2472240