《无机非金属材料工程导论》考试作业
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以及电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能的新型功能材料任选一种材料完成论文。
备选题目如下： 现代陶瓷材料研究进展 现代玻璃材料研究进展 现代水泥材料进展 现代耐火材料研究进展 现代电子陶瓷材料研究进展 现代磁性材料研究进展 现代光功能陶瓷材料研究进展 太阳能电池材料研究进展 现代生物陶瓷材料研究进展
也可自拟题目。
交卷时间：2012.6.5
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附件如后：
《无机非金属材料工程导论》考试作业
题目：XXXXX（左边对齐） 作者：XXX
班级：无机试2011-？ 学号：XXXXXX 2012/？？/？？
镁基储氢材料性能及研究进展
许三多
（重庆科技学院 冶金与材料工程学院，重庆 401331）
摘 要: 镁基合金具有储氢量大，质量小，资源丰富，价格低廉等优点，受到人们的广泛关注。本文介绍了镁系储氢合金的工艺、性能、应用及发展。运用由壳层一缩核模型推导出的镁基储氢材料吸氢过程的动力学方程，分析了储氢材料在吸氢过程中的传质与传热规律。 对镁基储氢材料进行了合理的分类, 将其分为镁基合金材料体系和镁基复合材料体系; 分别对合金材料和复合材料的储氢性能进行了系统的阐述, 指出现有的技术手段已经能够制备具有优异充放氢性能的镁基储氢材料。对镁基储氢材料的应用现状进行了综述, 总结了现有的镁基储氢材料储氢器以及镁基储氢材料电化学性能的研究现状, 指出了今后镁基储氢材料应用研究的重点。
关键词: 镁基储氢材料;充放氢性能;储氢器;电化学性能
1 前言
能源是国民经济的基础,是人类赖以生产、生活和生存的重要源泉。随着科学技术的进步,人类社会经历了薪柴、煤炭和石油三个能源阶段。从未来社会能源结构看,人类一方面要面对煤、石油等矿物能源的日益枯竭,另一方面又要正视矿物能源所造成的环境污染问题。如酸雨、温室效应等已给人类带来了相当大的危害,而汽车尾气也成为大气污染的一个主要来源之一。因此寻找一种可替代传统碳氢化合物能源的新能源已成为世界各国科学家毕生奋斗的目标。氢在宇宙间含量丰富,具有许多特殊的性质是理想的二次能源。氢燃烧能量密度值很高,燃烧后生成水,具有零污染特点,因此对于氢的开发和利用已成为很重要的课题。氢在常温常压下是一种无色、无味、无臭的气体,其密度为8.988?10?5g/cm3,约为空气密度的十四分之一。
构成氢能体系的主要技术环节包括氢的生产、供给、储存、转换和使用等#其中能量的储存和转换一直是能量有效利用的关键所在。传统的储氢手段主要是用钢瓶来储存氢气#其缺点是效率低#同时需要钢瓶具有耐高压、防泄漏的特性条件要求比较苛刻。储氢材料由于其具有很高的氢气存储密度而受到人类的瞩目,因此成为材料科学中研究的重点功能材料之一。储氢材料就作为一种极其重要的功能材料,在二次能源领域内具有不可替代的作用,特别是在燃料电池、可充电电池研究中,具有举足轻重的地位。储氢材料的研究直接关系着电动汽车的应用,也同样对潜艇、航天器等领域有着重要的影响。近几十年来世界各国都投入了巨大的人力、物力、财力对储氢材料进行研究,力图抢占这一基础材料研究的制高点[1]。
2 镁基储氢材料概况
镁可与氢气直接反应, 在300～400 ℃和较高的氢压下,反应生成MgH2 ,Mg + H2
=MgH2 ,ΔH = - 7415 kJ / mol。MgH2 在287 ℃时的分解压为10113 kPa , 其理论含氢量(质量分数) 可达7.65 % ,性能比较稳定。由于纯镁吸氢和放氢速率都很慢,放氢温度高, 因此人们通过合金化或制成复合材料的办法来改善镁的吸放氢性能。这样镁基储氢材料可以分为镁基合金体系和镁基复合材料体系两大类。
对于镁基储氢材料的研究, 最早由美国布鲁克海文国立研究所的Reilly 和Wiswall首先以镁和镍混合熔炼而成合金Mg2Ni , Mg2Ni 合金在2MPa 、300 ℃下能与氢反应生成Mg2NiH4 ,吸氢量为3.6 %(质量分数) 。
从储氢材料的研究开始至今,已被研究过的镁基储氢材料种类据不完全统计已近1000 多种,由于合金元素组成不同,以及制备的方法不同, 使得各种镁基储氢材料的吸放氢性能和储氢最大容量差别较大,表1 列出一些主要的镁基储氢材料的储氢性能。
目前,许多科学研究工作者通过机械合金化、表面改性、元素复合、组元替换等技术对Mg2Ni 合金体系而展开的研究工作仍在继续。
[2]
3 镁基储氢材料性能
3.1 相结构和形貌
由Mg-8 m01％LaNi0.5储氢材料的XRD图谱如图1所示。从图l可以看出,经过10 h的低温球磨后,该材料中存在Mg相、Ni相、La相,还有少量的合金相Mgl7Lal2、La2Ni3、M92Ni。从XRD图谱可以看出,低温球磨技术的合金化效果不明显。
图2是该储氢材料球磨10 h的微观形貌。可见,经过10 h低温球蘑后,粉末颗粒得到明显细化,颗粒直径最小可达2μm左右,大部分的颗粒的直径在10μm左右。材料的颗粒分布较为
均匀,细化效果理想。
3.1 热力学性能
图3为球磨10 h后的Mg-8 m01％LaNi0.5储氢材料在不同温度下的PCT曲线。表1为在不同温度下的吸放氢量。从图3和表1中可以看出：材料的储氢量在300℃时为2．33％,随着温度的升高,吸氢量升高。该材料的的吸放氢平台平坦,而且宽阔,是较为理想的储氢材料。材料的放氢能力强,放氢率达到90％以上,有的已达到97％以上,放氢较彻底。特别指出的是,利用低温球磨技术制备的该材料不需要经过活化处理就可以直接进行PCT测试,材料的活化性能非常好。与其它制备方法相比,低温球磨技术在较短时间内就能制备出活化性能好的材料。 3.1 动力学性能
材料的动力学性能是影响镁基储氢材料实际应用的关键因素。图4为球磨10 h后Mg-8 m01％LaNi0.5储氢材料在4．0 MPa和不同温度下的吸氢动力学曲线。结果表明,该材料的动