金屬基材料水解制氫的研究現狀

摘 要：隨著環境惡化，氫能作為一種無污染的能源正受到人們密切的關注，鋁作為一種比能量高，儲量豐富，性質活潑的金屬，而且在熱力學趨勢上很容易與水發生反應生成氫氣。鋁作為制氫材料能有效解決氫能在運輸和使用上的瓶頸，將大大降低氫能使用的成本。

關鍵詞：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基礎，其來源隨著時代變遷也在不停發生著變化。上世紀中葉以前，人類大多都以原始的煤作為能源來源；由于現代工業的不斷完善，尤其是汽車行業的迅猛發展，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、催化重整技術制氫、生物質制氫技術、金屬基材料水解制氫等。

1 金屬鋁水解制氫的發展現狀

目前國內外采用的方法主要有一下幾種方法來提高合金的反應活性[2-6]：在堿性環境下發生反應；在氧化物或鹽存在的環境下促進反應的進行；改變金屬鋁的形態，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速率，在0.4mol/L的NaOH溶液中，徑粒為16μm的鋁粉反應速率可達1025mL·min-1·g-1。范美強[3]等研究了Al在堿溶液中水解制氫的相關性能，實驗發現，當堿濃度由0.1mol/L增加到0.5mol/L時，制氫反應速率由12mL·min-1·g-1增加到38mL·min-1·g-1。

1.2 無機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化晶粒、提高粉末活性。許多研究者想到利用這個方法去活化金屬鋁，提高鋁水解制氫的速率。研究發現，球磨過程中可通過添加一些具有一定硬度的可溶性無機鹽或者金屬鋁陶瓷體系作為助磨劑，以達到消除團聚的目的。Korosh Mahmoodi[5]等詳細研究了機械球磨活化金屬鋁制氫時加入NaCl對制氫率的影響。研究發現當NaCl添加量大于76.5%時，制氫轉化率可達100%，但當

NaCl添加量減少到68.4%時，制氫轉化率降到65%。

1.3 金屬鋁形態的研究

劉光明[6]等就研究了鋁粉粒徑對產氫速率的影響，實驗表明產氫速率隨著顆粒粒徑的減小而增大。A.V.llyukhina等機械活化和添加其他低熔點的合金來提高鋁錫合金的反應活性，研究結果顯示通過機械球磨制備的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率可達90%以上。雖然鋁或者鋁合金粉末有相當高的產氫速率（190-260mL·min-1·g-1），但是由于其本身制作過程相當復雜，儲存難度高，為了降低水解制氫的成本，薄片狀的Al水解制氫性能將會是一大突破點。最近韓國研究的一項車載鋁合金水解制氫在質子交換膜燃料電池中的應用受到了廣泛的關注，KwangSup Eom[7]等設計了特定成分的片狀Al-Fe合金，在30℃水溫NaOH濃度為10wt.%的溶液中，含量為1wt.%的Al-Fe合金的產氫速率（9.72mL·min-1·cm-2）是純鋁產氫速率（2.64mL·min-1·cm-2）的3.7倍，5g Al-1wt.%Fe合金水解產生的氫氣，可供一個簡易的質子交換膜燃料電池的小車運行37分鐘。

2 結束語

隨著環境惡化，氫能作為一種無污染的能源正受到人們密切的關注，鋁作為一種比能量高，儲量豐富，性質活潑的金屬，而且在熱力學趨勢上很容易與水發生反應生成氫氣。鋁作為制氫材料能有效解決氫能在運輸和使用上的瓶頸，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境污染等一系列問題，金屬基制氫材料目前需解決的問題主要是提高水解速率，能真正實現車載供氫。

參考文獻

[1]毛宗強.無限的可再生能源——未來的來源[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研究[J].電源技術，2011，35（3）：290-293.

[3]范美強，徐芬，孫立賢.鋁-堿溶液水解制氫技術研究[J].電源技術，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].中國有色金屬學報，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，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.