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摘 要

在固态储氢方式中，镁基储氢材料因其价格低廉、资源丰富并且无污染等特点广受各国的关注，但是由于镁基氢化物热力学稳定性较高和吸放氢动力学性能较差，所以仍不满足实际应用的要求，一些镁基合金在具有低于纯镁的热力学焓变的同时其吸放氢反应速率也快于纯镁，因此，通过开发镁基多元合金来实现对其热力学和动力学双调控是改善镁基氢化物储氢性能的重要手段。

对Mg₂Ni进行A侧元素取代从而形成多元金属间化合物Mg₃MNi₂，一直以来，通过传统技术制备纯相多元合金较为困难，所以对其储氢性能的研究尤其是动力学性能的研究比较缺乏。本文通过研究引入第三合金化元素Al进行替代对镁基氢化物吸放氢动力学的影响，结果表明Al元素取代后形成的Mg₃AlNi₂体系吸放氢温度较Mg₂Ni体系大大降低，在2℃/min升温速率下，Mg₃AlNi₂体系的初始吸放氢温度是172.7/207.5℃，而Mg₂Ni体系却只有88.2/175.1℃，但从吸放氢活化能来说又有所升高，分析认为其原因可能是氢致相分解产生的MgH₂相降低了整体氢扩散速率。

关键词：镁基储氢材料 多元合金化 储氢性能 动力学

Effect of Al substitution on kinetics of hydrogen absorption and desorption of Mg based hydride

ABSTRACT

In the solid-state hydrogen storage method, magnesium based hydrogen storage materials are widely concerned in various countries because of their low price, rich resources and no pollution. However, because of the high thermodynamic stability of magnesium based hydrides and poor kinetic properties of hydrogen absorption and desorption, magnesium based alloys are still not satisfied with the requirements of practical applications. Some magnesium based alloys are less than pure magnesium. At the same time, the reaction rate of hydrogen absorption and desorption is faster than pure magnesium at the same time. Therefore, it is an important means to improve the hydrogen storage performance of magnesium based hydride by developing magnesium based multi alloy to realize dual regulation of thermodynamics and dynamics.

The A side element is substituted for Mg₂Ni to form Mg₃MNi₂, it is difficult to prepare pure phase multicomponent alloy through traditional technology all the time, so the research on its hydrogen storage performance, especially the dynamic properties, is short. In this paper, the effect of the substitution of third alloying element Al on the kinetics of hydrogen absorption and desorption of magnesium based hydrides is studied. The results show that the temperature of hydrogen absorption and discharge of the Mg₃AlNi₂ system formed by the substitution of Al elements is greatly lower than that of the Mg₂Ni system. At the heating rate of 2 ℃/min, the initial desorption temperature of the Mg₃AlNi₂ system is 172.7/207.5 ℃, while the Mg₂Ni system is only 88.2/175.1 ℃, but it is also increased from the activation energy of hydrogen absorption and discharge. The reason may be that the MgH₂ phase produced by hydrogen induced phase decomposition reduces the overall hydrogen diffusion rate.

Key words: Magnesium based hydrogen storage materials; Multialloying; Hydrogen storage performance; Kinetics

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 文献综述 1

1.1 引言 1

1.2 储氢合金及其分类 2

1.2.1 储氢合金 2

1.2.2 稀土系储氢材料 2

1.2.3 钒基固溶体储氢材料 2

1.2.4 钛系储氢材料 2

1.2.5 镁基储氢材料 2

1.3 镁基储氢材料的制备方法 4

1.4 镁基储氢合金性能的改善 4

1.4.1 合金化改性 5

1.4.2 纳米化改性 5

1.4.3 复合化改性 7

1.4.4 催化改性 9

1.5 问题的提出与本文的研究内容 9

第二章 实验方法 11

2.1 实验原料 11

2.2 实验仪器 11

2.3 氢化燃烧合成设备 12

2.4 实验方案 12

2.4.1 HCS制备过程 12

2.4.2 实验流程 13

2.5 测试方法 14

2.5.1 X射线衍射分析 14

2.5.2 示差扫描量热分析 14

第三章 数据处理与分析 15

3.1 XRD图谱 15

3.2 Al取代前的DSC曲线及吸放氢活化能 16

3.3 Mg₂NiH₄在高压DSC中的循环测试 17

3.4 Al取代后的DSC曲线及吸放氢活化能 18

3.5 Mg₃AlNi₂H_x在高压DSC中的循环测试 20

第四章 结论与展望 22

4.1 结论 22

4.2 展望 22

参考文献 24

致 谢 27

第一章 文献综述

1.1 引言

在人类的发展史中，人们的社会生产活动与能源息息相关，可以这么说，能源对于我们人类而言就是活动发展的源泉。但是，目前能源的主要来源仍然是化石燃料(约80%)，由于化石原料的存量有限以及化石燃料导致了越来越严重的环境污染，温室效应与气候变暖已经危及到人类的生存，所以需要制定一个清洁和可持续的能源解决方案来克服这些情况，即开发新型的能源，所谓的新能源，包括太阳能、核能、氢能、风能、生物质能和地热能。

氢能源与电力并称为“21世纪能源系统两大支柱”，它因为热值高、无污染和其存量丰富而广受人们的关注，所以未来必将是一个“氢经济”的未来^[1]。各国对储氢技术的研究极为重视，比如说我们国家，早在“863”计划和“973”计划中就把贮氢材料的研究和开发列入重点研究领域^[2]。

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