鎂碳耦合儲(chǔ)氫機(jī)制的研究.pdf

1、氫能是清潔的優(yōu)質(zhì)能源，在其應(yīng)用中，氫氣儲(chǔ)存技術(shù)仍存在許多問(wèn)題亟需解決。金屬鎂因其具有儲(chǔ)氫密度高、來(lái)源廣泛和價(jià)格低廉等特點(diǎn)，成為了最有前景的儲(chǔ)氫材料之一，然而，較差的吸氫動(dòng)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(chǔ)氫密度大和不易受雜質(zhì)氣體影響等特點(diǎn)近年來(lái)引起了研究人員的極大興趣。金屬鎂與碳材料單獨(dú)儲(chǔ)氫時(shí)的條件都相對(duì)苛刻，但將兩者混合進(jìn)行充氫球磨，則可同時(shí)改善金屬鎂和碳材料的儲(chǔ)氫性能。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)表征和第一性原理計(jì)算，探究了鎂碳

2、在儲(chǔ)氫過(guò)程中的耦合機(jī)制。
　　利用無(wú)煙煤通過(guò)脫灰和碳化處理制得微晶碳，并通過(guò)機(jī)械球磨法制備鎂碳復(fù)合儲(chǔ)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(duì)金屬鎂、微晶碳和鎂碳復(fù)合儲(chǔ)氫材料的形貌、結(jié)構(gòu)以及儲(chǔ)氫性能等性質(zhì)進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，金屬鎂粉儲(chǔ)氫效率低，在420℃、2.0 MPa H2環(huán)境中前10 h幾乎不儲(chǔ)氫；微晶碳無(wú)法進(jìn)行大量?jī)?chǔ)氫，在360

3、℃、2.0 MPa H2環(huán)境中8 h內(nèi)儲(chǔ)氫量為0 wt％；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(guò)3 h球磨Mg的儲(chǔ)氫量可以達(dá)到5.5 wt%，與此同時(shí)，微晶碳的儲(chǔ)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(shuō)明金屬鎂與微晶碳之間存在可以改善兩者儲(chǔ)氫性能的耦合機(jī)制。另外，通過(guò)球磨法制備的鎂碳復(fù)合儲(chǔ)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(shuō)明微晶碳的添加同時(shí)也改善了材料的放氫反應(yīng)，降低了反應(yīng)的活化能。<

4、br>　　為探究金屬鎂和微晶碳耦合儲(chǔ)氫的機(jī)制，通過(guò)對(duì)金屬鎂和微晶碳結(jié)構(gòu)的分析，借助第一性原理計(jì)算，研究了空位、摻雜和位錯(cuò)等缺陷對(duì)H2在金屬鎂和微晶碳模型上的吸附、解離和擴(kuò)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(duì)H2在兩個(gè)晶面上的解離有不同程度的改善作用?？瘴蝗毕菀矔?huì)對(duì)H的擴(kuò)散產(chǎn)生影響，其中，H在空位缺陷Mg(0001)晶面的擴(kuò)散所需克服能量位壘降為26.56

5、kJ/mol，而在空位缺陷graphite(0001)晶面的擴(kuò)散所需克服的能量位壘則提高至294.54 kJ/mol。元素?fù)诫s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(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算的分析結(jié)果，鎂碳耦合儲(chǔ)氫機(jī)制可描述為，微晶