【摘 要】
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NaBH4和Mg(BH4)2等金属硼氢化物是广泛研究的储/制氢材料之一,取决于硼源、氢源以及还原剂的使用使其面临廉价、安全、高效的合成与再生的挑战。本文采用Na2B4O7·10H2O或Na2B4O7·5H2O水合硼砂、CO2处理后的NaBH4水解直接副产物Na2B4O7·10H2O和硼酸(B2O3·3H2O)等水合物为原料,通过机械力化学法在常温常压下合成或再生NaBH4和Mg(BH4)2。首先,
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NaBH4和Mg(BH4)2等金属硼氢化物是广泛研究的储/制氢材料之一,取决于硼源、氢源以及还原剂的使用使其面临廉价、安全、高效的合成与再生的挑战。本文采用Na2B4O7·10H2O或Na2B4O7·5H2O水合硼砂、CO2处理后的NaBH4水解直接副产物Na2B4O7·10H2O和硼酸(B2O3·3H2O)等水合物为原料,通过机械力化学法在常温常压下合成或再生NaBH4和Mg(BH4)2。首先,本文探索了一种在温和条件下高能球磨水合硼砂(Na2B4O7·10H2O和/或Na2B4O7·5H2O)与MgH2、Mg、NaH等不同还原剂合成NaBH4的经济有效新方法。该方法直接使用水合硼砂作为原材料,避免了水合硼砂600℃高温脱水过程,从而降低合成成本并提高整体能量效率。对于Na2B4O7·5H2O-NaH-MgH2体系,球磨3.5 h可获得93.1%的高合成产率。高产率可归因于水合硼砂比无水硼砂能更有效地与MgH2反应,有助于从B-O转化为B-H,同时反应过程中生成H2可作为额外氢源,并且阻碍MgH2分解反应进而减少了球磨过程中Mg粉的团聚,获得高的比表面积。以上体系中合成过程中生成的H2可与Mg原位反应生成MgH2。因此,采用低成本Mg取代大部分的昂贵MgH2,合成产率超过78%。为进一步降低原材料成本,提高水合硼砂中氢源的利用率,通过Na2B4O7·10H2O部分替代Na2B4O7·5H2O,实现了MgH2的完全替代。优化后的合成方法因利用了天然硼砂中结晶水中的H+以及避免了高温过程,具有成本低、效率高的特点。通过半原位XRD、FTIR、NMR和MS测试分析以上不同体系的NaBH4合成反应机理,结果表明Na2B4O7·10H2O与Na2B4O7·5H2O体系呈现不同的反应机理。即在Na2B4O7·10H2O体系中,Na2B4O7·10H2O先与NaH反应生成NaB(OH)4,而在Na2B4O7·5H2O体系中Na2B4O7·5H2O则先转变为Na2B4O5(OH)4非晶相,随后与MgH2反应,最终形成NaBH4。然后,利用NaBH4水解产物(NaBO2)水溶液与空气中CO2反应形成的Na2B4O7·10H2O和Na2CO3混合物为原材料,在常温常压下与Mg进行高能球磨,同步实现了CO2甲烷化与NaBH4再生,发明了一种新的氢气制/储闭环一体化技术。与以往的研究相比,该方法避免了NaH、MgH2等昂贵还原剂的使用,绕过了Na2B4O7·10H2O的高能耗脱水过程,以及无需使用高压H2,极大地降低了NaBH4再生成本。通过半原位XRD、FTIR、NMR和MS测试分析了NaBH4再生机理,结果表明球磨过程中Mg先将Na2B4O7·10H2O转变为Na2B4O7·5H2O并原位形成MgH2,MgH2与Na2B4O7·5H2O进一步反应生成NaBH4。在再生过程中,首次成功观察到中间化合物H2BOH并对高的再生产率进行了分析。接着,拓展了Na2B4O7·10H2O合成再生NaBH4的方法,采用储量更丰富且拥有更高的氧化态的Al及其合金(Al88Si12、Mg17Al12、Mg2Al3)取代Na、Mg、Ca作为还原剂,同样实现了NaBH4的再生。该方法产率的提高得益于通过NaH与Si的引入来破坏Al2O3钝化层以改善传质的有效策略。其中,NaH能够使得Al表面形成NaAl O2而非致密Al2O3,而Si还可充当助磨剂防止材料团聚。在Ar气氛下高能球磨Na2B4O7·10H2O、NaH、Si和Al的混合物实现NaBH4合成再生,且最高产率为~62%。采用Mg17A112替代Al作为还原剂,NaBH4的再生产率可提升至85.2%。最后,为验证结晶水合物可再生合成硼氢化物方法的普适性,尝试并实现了室温球磨B2O3·3H2O与MgH2合成Mg(BH4)2,且产率接近70%。进一步采用Mg取代昂贵MgH2,实现了无外加氢源条件下合成Mg(BH4)2。而采用B2O3取代B2O3·3H2O与MgH2反应,Mg(BH4)2的合成产率提高至80%。通过半原位XRD、FTIR和NMR测试分析B2O3-MgH2体系的反应机理,结果表明MgH2中现有的H-在Mg(BH4)2合成过程中起着重要作用。
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