新型金属氨基络合物基储氢材料的性能研究

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本文在全面综述金属氨基络合物研究进展的基础上,确定以碱土金属氯化物为研究对象,采用XRD、FTIR、Raman等结构分析方法以及TPD、体积测试手段,分别就MgCl2、CaCl2的储氨性能以及MgCl2(NH36-18LiH复合物的储氢性能和机理进行了详细研究,以期开发出一种新型金属氨基络合物基高容量储氢材料。论文系统研究了工作温度、起始氨压、球磨处理以及金属催化剂添加对无水MgCl2吸脱氨性能的影响,结果表明,球磨2 h后的无水MgCl2的吸脱氨反应是完全可逆的,吸氨产物为MgCl2(NH36,吸氨量可达51.8wt.%,对应的储氢量高达9.1wt.%。吸氨反应具有良好的动力学性能,在室温和0.4 MPa在条件下,60 mins内即可完全氨化。脱氨反应过程受温度、压力控制。MgCl2(NH36的脱氨反应主要发生在150~330℃之间,~15 mins即可放出全部NH3。球磨MgCl2制得的MgCl2(NH36的受热分解放氨反应分为三步,峰温分别为160℃、260℃和320℃,脱附量分别为4个、1个和1个NH3分子。提高吸氨工作温度和增大吸氨起始氨压可以提高MgCl2的吸氨动力学性能,而增加球磨时间、可以改善其脱氨动力学性能。添加金属催化剂(Co、Ti、Fe、Cu、Ni)对MgCl2的吸氨性能基本没有影响,但可以改善吸氨产物MgCl2(NH36的放氨动力学性能,其中添加Co催化剂样品的放氨反应温度可降低45℃左右。对无水CaCl2吸脱氨性能研究表明,球磨2h的CaCl2样品在温度20℃和氨压0.55 MPa的条件下,15 mins内即可完全氨化,形成CaCl2(NH38,其吸氨量可达55.1wt.%,相当于储氢量9.72wt.%。CaCl2(NH38在20-300℃的范围内可通过三步反应实现完全脱氨,脱氨反应受温度和压力控制,其中6个NH3分子在室温、室压下即可脱附。进一步研究表明,较高的工作温度和起始氨压可以提高CaCl2的吸氨动力学性能,而球磨时间的增加可以显著降低其脱氨工作温度,提高其脱氨动力学性能。在上述研究的基础上,通过球磨制备了MgCl2(NH36-18LiH混合物,系统研究了其放氢性能及机理。结果发现,随着球磨时间的增加,氢气逐渐从混合物中放出。球磨24 h样品的放氢量为3.7wt.%,相当于6个H2分子。TPD和体积测试表明,在20-350℃范围内,球磨24 h的MgCl2(NH36-18LiH样品的放氢反应分为两步,在130-200℃的范围内,发生第一步放氢反应,放氢量约为1.2wt.%,相当于2个H2分子;在200-350℃的范围内进行第二步放氢反应,放氢量约为2.4wt.%,相当于4个H2分子。球磨和随后的加热过程总的放氢量可达7.1wt.%,相当于12个H2分子。XRD和FTIR测试发现,球磨过程中形成了Mg(NH22和LiNH2中间产物。结合放氢量和XRD、FTIR分析可以推测:MgCl2(NH36-18LiH在球磨和加热过程中,总反应过程中可以表述如下:
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