H Pd氣-固系統中的異常放熱現象

趙佳星 劉洋 柳東杰 盧歆

摘 要：經壓力觸發H/Pd氣-固系統產生異常放熱現象并對相關研究領域實驗和理論模型分析。分別進行了22Pa、200Pa、1080Pa、1100Pa系列壓力觸發實驗，在電流為200mA壓力200Pa觸發時，觀測到明顯過熱現象，放熱量為7.701×103J，平均到每個鈀原子為6.767×10-17J（0.4KeV）。

關鍵詞：氫;鈀;壓力觸發;異常放熱

1 緒論

《BP世界能源統計》雜志發表數據表明人類正走向能源不可持續發展的道路[1]。氫能源的應用能夠有效解決環境污染及能源緊缺問題。氫在金屬鈀中異常放熱現象的研究是氫能源應用研究的可行性研究途徑，1989年3月23日弗萊希曼和美國猶他大學化學系教授龐斯用電解法電解0.1M氘氧化鋰溶液，鈀為陰極、鉑為陽極，當鈀陰極吸收氘通量后，測到無法用物理、化學理論解釋的過熱[2]，這一結果引起各國關注并投入大量研究。典型實驗如下：羅西教授在E-CAT裝置中實現了10kW量級半年之久的熱功率輸出[3];日本三菱重工研究院Iwamura組采用多層膜實驗方法，在70℃恒溫真空環境中使氘氣持續透過多層膜，觀察到核嬗變現象，具有良好的重復性[4];田堅實驗組在D/Pd氣-固系統中發現過熱量為280MJ且伴隨新物質產生的異常現象[5]。

2 實驗中的異常放熱現象

異常放熱現象實驗重復性差，理論模型存在爭議。現有理論有：李興中的選擇性共振遂穿理論[6];江興流的渦旋動力場理論[7];茍清泉的全原子理論[8]。能否實現實驗的重復性是解決理論研究的關鍵，一旦有所突破，不但對理論模型建立而且對解決全球能源問題具有革命性意義。因此，我們進行以下實驗，尋找解決實驗重復性以及理論探索的有效途徑。

2.1 實驗材料

氫氣由超純氫氣發生器TH-500產生，純度為99.999%，直徑0.1mm，長度1m，純度均為99.986%的鈀絲。

2.2 系統熱平衡常數k的確定

系統熱平衡常數k是單位輸入功率引起系統溫度的改變，單位℃/W，如公式（1）所示。k0是氮氣環境的系統熱平衡常數。△T是單位功率輸入后系統溫度的變化，△P是鈀絲電功率的變化。所以輸出功率定義為P輸出如公式（2）所示。過熱能量定義為E輸出如公式（3）所示。

2.3 實驗數據分析

實驗分別進行了22Pa、200Pa、1080Pa、1100Pa及大氣壓對應實驗，得到系統熱平衡常數k的相關數據如右表。當輸入功率相同時，壓力為1100Pa其k值均小于壓力為1080Pa的k值，說明并非壓力越大，系統熱平衡常數k越大，這一現象可以幫助我們在觸發實驗中選擇合適的壓力觸發范圍。

在壓力觸發實驗時，觀測到明顯的“過熱”現象，尤其是在200Pa的情況下。隨著壓力逐步上升到240Pa，鈀絲的溫度最終上升到86℃并趨于穩定，當壓力由240Pa陡降至0Pa時，經過約10分鐘時間，鈀絲溫度由86℃進一步上升到92℃（最高溫度達到94℃）持續時間為100s，而不是隨著壓力的突然消失回到初始溫度。在出現了“過熱”現象之后，鈀絲溫度陡降到83℃持續了80s，再次陡降到81℃持續200s，直至實驗結束。如鈀絲溫度和壓力關系圖。在本次實驗中，值得我們考慮是的壓力陡降后為何會在10分鐘時出現鈀絲溫度突然上升的現象，我們也曾考慮過，壓力下降破壞了整個系統的熱傳導性，但是系統的熱傳導是否會延時10分鐘呢？在鈀絲溫度下降到81℃之后，溫度是否會繼續降低，直至與系統所在環境溫度持平？

這一滯后的“過熱”現象的產生我們可以嘗試用選擇性共振隧穿模型進行解釋。在共振隧穿過程中，波在傳播過程中需要緩慢衰減，達到多次往返反射從而積累足夠的能量，而在選擇性共振隧穿模型中，這一“孵化”時間需要約104s，反應的衰減過程也需要約104s[9]，從圖中可以看出“過熱”現象出現在觸發實驗開始后約10分鐘處出現鈀絲溫度突然上升的現象，這10分鐘就是本次實驗相對于選擇性共振隧穿模型的“孵化”時間。江興流教授提出的渦旋動力學模型中，擾場作用具有滯后性，也可以解釋這10分鐘的滯后現象的合理性。此外，在實驗反應室內部配有溫度檢測裝置，所得數據可以實時上傳、存儲，可以進一步排除壓力破壞系統熱傳導性這一現象的存在，進一步證明這段滯后的時間并不是由壓力影響產生的，而是反應過程中的一種滯后現象。金屬鈀為面心立方系結構有良好的儲氫性能，氫進入鈀的晶格間隙中可以穩定存在，形成PdHX氫化物[10]。鈀的活化能接近氫，氫分子分解成氫原子滲透進金屬鈀中，其表面氧化物PdO易還原，不會因為氧化問題阻止氫原子滲透[11]，這也是本實驗選擇氫與鈀兩種材料以及實驗可以進行的前提。從上圖中可以發現，鈀絲溫度降到81℃之后到實驗結束的這段時間內，溫度并未急速下降，在這之后，鈀絲是否會再次出現“過熱”現象？由于實驗時間需要合理控制，未繼續觀測。在之后的實驗中，是否會再次出現“過熱”現象將是一個新觀察點。“過熱”現象在實驗中僅出現一次還是如海浪般不斷“涌現”將是之后實驗中應當觀察和思考的方向。

3 結語

壓力為22Pa、200Pa、1080Pa、1100Pa的觸發實驗中，當壓力為200Pa時，實驗系統中觀測到明顯過熱現象，輸出能量為7.701×103J。輸出能量平均到每個鈀原子為6.767×10-17J（0.4KeV）。我們在實驗中觀測到了異常放熱現象，證明了實驗的可行性與價值。雖然有一些異常的現象無法解釋或觀測，但這需要我們通過對實驗方法不斷改進以及提高實驗設備的精密度、檢測設備的靈敏度，達到對微觀反應過程進行精密監測。

參考文獻：

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自然基金非共識項目：本項工作得到了國家自然基金委支持，受國家自然科學基金資助（編號：21703014）