金屬基材料水解制氫的研究現(xiàn)狀

摘 要：隨著環(huán)境惡化，氫能作為一種無(wú)污染的能源正受到人們密切的關(guān)注，鋁作為一種比能量高，儲(chǔ)量豐富，性質(zhì)活潑的金屬，而且在熱力學(xué)趨勢(shì)上很容易與水發(fā)生反應(yīng)生成氫氣。鋁作為制氫材料能有效解決氫能在運(yùn)輸和使用上的瓶頸，將大大降低氫能使用的成本。

關(guān)鍵詞：金屬基；鋁基合金；水解制氫；合金化

引言

能源作為人類生活的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，其來(lái)源隨著時(shí)代變遷也在不停發(fā)生著變化。上世紀(jì)中葉以前，人類大多都以原始的煤作為能源來(lái)源；由于現(xiàn)代工業(yè)的不斷完善，尤其是汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，石油[1]逐漸取代煤成為世界主流消耗能源。氫能，作為理想的二次能源之一，是一種優(yōu)秀的能源載體，它具有其它能源不具備的特性。目前氫能主要來(lái)源于以下途徑：硼氫化物水解制氫、電解水制氫、光電催化水解制氫、催化重整技術(shù)制氫、生物質(zhì)制氫技術(shù)、金屬基材料水解制氫等。

1 金屬鋁水解制氫的發(fā)展現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外采用的方法主要有一下幾種方法來(lái)提高合金的反應(yīng)活性[2-6]：在堿性環(huán)境下發(fā)生反應(yīng)；在氧化物或鹽存在的環(huán)境下促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行；改變金屬鋁的形態(tài)，增大表面積，把鋁制成鋁箔、鋁粉、片狀等；合金化。

1.1 鋁在堿性溶液中水解制氫的研究

趙增典[2]等研究了鋁粉在堿溶液中的制氫反應(yīng)速率，在0.4mol/L的NaOH溶液中，徑粒為16μm的鋁粉反應(yīng)速率可達(dá)1025mL·min-1·g-1。范美強(qiáng)[3]等研究了Al在堿溶液中水解制氫的相關(guān)性能，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)堿濃度由0.1mol/L增加到0.5mol/L時(shí)，制氫反應(yīng)速率由12mL·min-1·g-1增加到38mL·min-1·g-1。

1.2 無(wú)機(jī)鹽或金屬鋁陶瓷體系活化鋁水解制氫

采用球磨法能有效細(xì)化晶粒、提高粉末活性。許多研究者想到利用這個(gè)方法去活化金屬鋁，提高鋁水解制氫的速率。研究發(fā)現(xiàn)，球磨過(guò)程中可通過(guò)添加一些具有一定硬度的可溶性無(wú)機(jī)鹽或者金屬鋁陶瓷體系作為助磨劑，以達(dá)到消除團(tuán)聚的目的。Korosh Mahmoodi[5]等詳細(xì)研究了機(jī)械球磨活化金屬鋁制氫時(shí)加入NaCl對(duì)制氫率的影響。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)NaCl添加量大于76.5%時(shí)，制氫轉(zhuǎn)化率可達(dá)100%，但當(dāng)

NaCl添加量減少到68.4%時(shí)，制氫轉(zhuǎn)化率降到65%。

1.3 金屬鋁形態(tài)的研究

劉光明[6]等就研究了鋁粉粒徑對(duì)產(chǎn)氫速率的影響，實(shí)驗(yàn)表明產(chǎn)氫速率隨著顆粒粒徑的減小而增大。A.V.llyukhina等機(jī)械活化和添加其他低熔點(diǎn)的合金來(lái)提高鋁錫合金的反應(yīng)活性，研究結(jié)果顯示通過(guò)機(jī)械球磨制備的Al-10wt%Ga-4.3wt%In和Al-10wt%Ga-4.2wt%In-1.7wt%Sn-0.8wt%Zn混合粉末水解制氫的產(chǎn)率可達(dá)90%以上。雖然鋁或者鋁合金粉末有相當(dāng)高的產(chǎn)氫速率（190-260mL·min-1·g-1），但是由于其本身制作過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，儲(chǔ)存難度高，為了降低水解制氫的成本，薄片狀的Al水解制氫性能將會(huì)是一大突破點(diǎn)。最近韓國(guó)研究的一項(xiàng)車載鋁合金水解制氫在質(zhì)子交換膜燃料電池中的應(yīng)用受到了廣泛的關(guān)注，KwangSup Eom[7]等設(shè)計(jì)了特定成分的片狀A(yù)l-Fe合金，在30℃水溫NaOH濃度為10wt.%的溶液中，含量為1wt.%的Al-Fe合金的產(chǎn)氫速率（9.72mL·min-1·cm-2）是純鋁產(chǎn)氫速率（2.64mL·min-1·cm-2）的3.7倍，5g Al-1wt.%Fe合金水解產(chǎn)生的氫氣，可供一個(gè)簡(jiǎn)易的質(zhì)子交換膜燃料電池的小車運(yùn)行37分鐘。

2 結(jié)束語(yǔ)

隨著環(huán)境惡化，氫能作為一種無(wú)污染的能源正受到人們密切的關(guān)注，鋁作為一種比能量高，儲(chǔ)量豐富，性質(zhì)活潑的金屬，而且在熱力學(xué)趨勢(shì)上很容易與水發(fā)生反應(yīng)生成氫氣。鋁作為制氫材料能有效解決氫能在運(yùn)輸和使用上的瓶頸，將大大降低氫能使用的成本。金屬基材料水解制氫的研究能有效解決能源枯竭和環(huán)境污染等一系列問(wèn)題，金屬基制氫材料目前需解決的問(wèn)題主要是提高水解速率，能真正實(shí)現(xiàn)車載供氫。

參考文獻(xiàn)

[1]毛宗強(qiáng).無(wú)限的可再生能源——未來(lái)的來(lái)源[J].自然雜志，2006，28（1）：14-18.

[2]趙增典，朱宗波，黃玉紅.鋁-堿溶液水解制氫的技術(shù)研究[J].電源技術(shù)，2011，35（3）：290-293.

[3]范美強(qiáng)，徐芬，孫立賢.鋁-堿溶液水解制氫技術(shù)研究[J].電源技術(shù)，2009，33（6）：493-496.

[4]郝明明，陳星宇，趙中偉，等.鋁鈣合金的制備及其水解制氫性能[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2012，22（8）：2407-2413.

[5]Mahmoodi K， Alinejad B. Enhancement of hydrogen generation rate in reaction of aluminum with water[J].International Journal of Hydrogen Energy，2010，35（11）：5227-5232.

[6]劉光明.燃燒電池氫源用鋁粉制氫的研究[D].華南理工大學(xué)，2011，5.

[7]KwangSup Eom， Min Joong Kim， Sekon Oh，et al. Design of ternary Al-Sn-Fe alloy for fast on-board hydrogen production， and its application to PEM fuel cell[J].International Journal of Hydrogen Energy，2011，36（18）：11825-11831.