金屬水反應(yīng)體系

1、LOGO新能源材料新能源材料金屬金屬/ /水能源體系水能源體系鄒美帥鄒美帥能源危機(jī)能源危機(jī)v 21世紀(jì)人類正面臨的能源危機(jī)：化石燃料的匱乏，環(huán)境狀況的惡化，傳統(tǒng)世紀(jì)人類正面臨的能源危機(jī)：化石燃料的匱乏，環(huán)境狀況的惡化，傳統(tǒng)能源工業(yè)滿足不了人類發(fā)展的要求。能源工業(yè)滿足不了人類發(fā)展的要求。 （1）化石燃料資源正面臨著枯竭；）化石燃料資源正面臨著枯竭； （2）嚴(yán)重的區(qū)域環(huán)境問(wèn)題；）嚴(yán)重的區(qū)域環(huán)境問(wèn)題； （3）溫室氣體與氣候變暖；）溫室氣體與氣候變暖； （4）能源）能源-戰(zhàn)爭(zhēng)的導(dǎo)火索。戰(zhàn)爭(zhēng)的導(dǎo)火索。v 伴隨著全球能源需求的不斷增長(zhǎng)以及日益加劇的環(huán)境污染問(wèn)題，新能源的開(kāi)伴隨著全球能源需求的不斷增長(zhǎng)以及日

2、益加劇的環(huán)境污染問(wèn)題，新能源的開(kāi)發(fā)與利用越來(lái)越受到人們的重視。發(fā)與利用越來(lái)越受到人們的重視。誰(shuí)是下一個(gè)能源主角誰(shuí)是下一個(gè)能源主角氫能氫能v 在環(huán)境和能源危機(jī)日益嚴(yán)重情況下：（在環(huán)境和能源危機(jī)日益嚴(yán)重情況下：（1）氫能由于無(wú)污染且能量轉(zhuǎn)換效率高）氫能由于無(wú)污染且能量轉(zhuǎn)換效率高，是一種清潔、安全、高效的二次能源；（，是一種清潔、安全、高效的二次能源；（2）用氫代替所用的燃料是唯一能）用氫代替所用的燃料是唯一能提供既沒(méi)有溫室效應(yīng)、也沒(méi)有污染威脅的高質(zhì)量生活的途徑。其是解決未來(lái)提供既沒(méi)有溫室效應(yīng)、也沒(méi)有污染威脅的高質(zhì)量生活的途徑。其是解決未來(lái)清潔能源需求問(wèn)題的首選新能源之一。清潔能源需求問(wèn)題的首選新能

3、源之一。v 由于氫能技術(shù)在解決人類面臨的能源與環(huán)境兩大方面的重大作用，世界上主由于氫能技術(shù)在解決人類面臨的能源與環(huán)境兩大方面的重大作用，世界上主要國(guó)家對(duì)氫能技術(shù)都有大量資金投入。加大氫能的研發(fā)和投入是對(duì)保障國(guó)家要國(guó)家對(duì)氫能技術(shù)都有大量資金投入。加大氫能的研發(fā)和投入是對(duì)保障國(guó)家能源安全和環(huán)境保護(hù)的一項(xiàng)重要措施。能源安全和環(huán)境保護(hù)的一項(xiàng)重要措施。v 氫能的開(kāi)發(fā)和利用受到世界各國(guó)的高度重視，以期在氫能的開(kāi)發(fā)和利用受到世界各國(guó)的高度重視，以期在21世紀(jì)中葉進(jìn)入世紀(jì)中葉進(jìn)入“氫能氫能經(jīng)濟(jì)經(jīng)濟(jì)”時(shí)代。時(shí)代。氫能經(jīng)濟(jì)氫能經(jīng)濟(jì) 金屬金屬/ /水制氫水制氫金屬金屬/ /水制氫水制氫v 目前現(xiàn)行工業(yè)用氫都采用目前

4、現(xiàn)行工業(yè)用氫都采用化石燃料制氫化石燃料制氫和和電解水制氫電解水制氫為主要的制氫方法；為主要的制氫方法；這樣的制氫效率不高，需要消耗大量能源，并對(duì)環(huán)境污染較大。這樣的制氫效率不高，需要消耗大量能源，并對(duì)環(huán)境污染較大。v 金屬水解反應(yīng)金屬水解反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，是一種很有前景的儲(chǔ)存和運(yùn)輸能量的方式。這類產(chǎn)生氫氣，是一種很有前景的儲(chǔ)存和運(yùn)輸能量的方式。這類物質(zhì)可以在常溫常壓下通過(guò)簡(jiǎn)單的水解反應(yīng)制得高純度氫氣。物質(zhì)可以在常溫常壓下通過(guò)簡(jiǎn)單的水解反應(yīng)制得高純度氫氣。v 這個(gè)制氫過(guò)程中這個(gè)制氫過(guò)程中不產(chǎn)生含碳和氮的有害物質(zhì)不產(chǎn)生含碳和氮的有害物質(zhì)，產(chǎn)物環(huán)境友好，產(chǎn)物環(huán)境友好 ，副產(chǎn)物氫氧副產(chǎn)物氫氧化物等化物等可

5、以回收再次應(yīng)用于水處理、造紙、阻燃劑的生產(chǎn)等方面?？梢曰厥赵俅螒?yīng)用于水處理、造紙、阻燃劑的生產(chǎn)等方面。v 可與水反應(yīng)的金屬很多，例如鎂，鋁，鋰和鈹?shù)?。但從能量密度、?chǔ)存性可與水反應(yīng)的金屬很多，例如鎂，鋁，鋰和鈹?shù)?。但從能量密度、?chǔ)存性能、毒性等方面綜合來(lái)考慮，能、毒性等方面綜合來(lái)考慮，鎂/水和鋁/水反應(yīng)體系是首選。鎂鎂/ /水及鋁水及鋁/ /水制氫水制氫v Mg +2HMg +2H2 2O Mg(OH)O Mg(OH)2 2 + H+ H2 2 2Al +6H2Al +6H2 2O Al(OH)O Al(OH)3 3 + 3H+ 3H2 2 H(298K)=-354kJ/mol H(298K)

6、=-354kJ/mol H(298K)=-409kJ/molH(298K)=-409kJ/molv 金屬鎂金屬鎂/水反應(yīng)很高的氫氣產(chǎn)量水反應(yīng)很高的氫氣產(chǎn)量(933ml/g)，儲(chǔ)氫值為，儲(chǔ)氫值為8.2.%。高于美國(guó)。高于美國(guó)能源部對(duì)車載儲(chǔ)氫媒介儲(chǔ)氫量能源部對(duì)車載儲(chǔ)氫媒介儲(chǔ)氫量6%的要求。而鋁的要求。而鋁/水反應(yīng)具有更高的氫氣產(chǎn)量水反應(yīng)具有更高的氫氣產(chǎn)量(1245ml/g)，儲(chǔ)氫值為，儲(chǔ)氫值為11.1%，高于美國(guó)能源部，高于美國(guó)能源部2015 年儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫年儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫值大于值大于9%的要求。的要求。v 鎂、鋁是地殼中含量較多多的金屬元素，原料來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉。鎂、鋁是地殼中含量較多多的金屬元

7、素，原料來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉。v 另外，鎂、鋁的密度低，氫氣可以間接地存儲(chǔ)在其原材料中，這樣制氫系統(tǒng)另外，鎂、鋁的密度低，氫氣可以間接地存儲(chǔ)在其原材料中，這樣制氫系統(tǒng)就會(huì)變得更加小型化而且更加安全。就會(huì)變得更加小型化而且更加安全。金屬金屬/ /水制氫水制氫v 關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)v 金屬雖然具有較高的反應(yīng)活性，但由于其表面有一層致密的氧化膜，阻礙金屬雖然具有較高的反應(yīng)活性，但由于其表面有一層致密的氧化膜，阻礙了金屬與水的接觸反應(yīng)，所以在研究金屬與水反應(yīng)過(guò)程中，關(guān)鍵的技術(shù)是了金屬與水的接觸反應(yīng)，所以在研究金屬與水反應(yīng)過(guò)程中，關(guān)鍵的技術(shù)是如何除去表面的氧化物和抑制氧化膜的生成，從而縮短誘導(dǎo)反應(yīng)時(shí)間，加如

8、何除去表面的氧化物和抑制氧化膜的生成，從而縮短誘導(dǎo)反應(yīng)時(shí)間，加快反應(yīng)，提高轉(zhuǎn)化率，?？旆磻?yīng)，提高轉(zhuǎn)化率，。金屬金屬/ /水制氫水制氫v 鋁鋁/水具有高的能量密度和儲(chǔ)氫量，但相比鎂水具有高的能量密度和儲(chǔ)氫量，但相比鎂/水體系，鋁的氧化層更加致密水體系，鋁的氧化層更加致密(Pilling-Bedworth coefficient =1.28). 因此，其反應(yīng)啟動(dòng)更加困難以及因此，其反應(yīng)啟動(dòng)更加困難以及反應(yīng)效率低。反應(yīng)效率低。v 即使鎂的表面氧化層比較疏松，其仍是影響與水反應(yīng)效率和速率的關(guān)鍵因素。另外即使鎂的表面氧化層比較疏松，其仍是影響與水反應(yīng)效率和速率的關(guān)鍵因素。另外，隨著水解反應(yīng)的進(jìn)行，副產(chǎn)物

9、，隨著水解反應(yīng)的進(jìn)行，副產(chǎn)物Mg(OH)2便會(huì)形成鈍化層包覆在未反應(yīng)的顆粒表便會(huì)形成鈍化層包覆在未反應(yīng)的顆粒表面，阻礙了水向顆粒內(nèi)部擴(kuò)散，從而使水解反應(yīng)經(jīng)過(guò)初期反應(yīng)后就迅速停止。面，阻礙了水向顆粒內(nèi)部擴(kuò)散，從而使水解反應(yīng)經(jīng)過(guò)初期反應(yīng)后就迅速停止。v 為了提高水解制氫效率和反應(yīng)速率，目前采用的方法主要是：催化劑復(fù)合，改變?nèi)転榱颂岣咚庵茪湫屎头磻?yīng)速率，目前采用的方法主要是：催化劑復(fù)合，改變?nèi)芤撼煞忠约皻浠飺诫s等。液成分以及氫化物摻雜等。v 相比國(guó)內(nèi)外復(fù)合催化劑的方法，我們提出了高效催化劑和產(chǎn)物結(jié)構(gòu)改變的方式，大相比國(guó)內(nèi)外復(fù)合催化劑的方法，我們提出了高效催化劑和產(chǎn)物結(jié)構(gòu)改變的方式，大幅提高了氫

10、氣的產(chǎn)生效率和速率。幅提高了氫氣的產(chǎn)生效率和速率。鎂基水反應(yīng)活性材料鎂基水反應(yīng)活性材料（1）制備片狀原料高效催化劑變速循環(huán)抑制劑惰性氣體保護(hù)鎂基水反應(yīng)活性材料鎂基水反應(yīng)活性材料（2）配方組成鎂基水反應(yīng)活性材料鎂基水反應(yīng)活性材料（3）形貌鎂基水反應(yīng)金屬材料鎂基水反應(yīng)金屬材料（4）熱分析鎂基水反應(yīng)金屬燃料鎂基水反應(yīng)金屬燃料（5）水解性能鎂基水反應(yīng)金屬材料鎂基水反應(yīng)金屬材料v The hydrolysable result with the milled Mg powder is very promising for the activation of magnesium, and the mech

11、anism of increased hydrolysis was analyzed. v First, the elimination of the oxide layer by mechanical milling improved the reaction enable rate.v Second, surface defects were created in the magnesium by milling. It is known that numerous defects and fresh magnesium surfaces accentuate pitting corros

12、ion in the presence of Cl-.鎂基水反應(yīng)金屬材料鎂基水反應(yīng)金屬材料v We think that the milled magnesium materials, including F2, F3 and F4, oxidized earlier and more easily than the unmilled Mg powder because they have more surface defects and larger specific surface areas.v The mass of milled magnesium (F2) increased on

13、ly 60% when the temperature reached 800, indicating that the MgO content of the milled Mg powder was larger than unmilled Mg powder.v the Mg/Ni and Mg/Co samples had almost equal weight increases of approximately 53%. The reduced weight increase after oxidation is likely because the additive metal d

14、id not react or only partly reacted with air.鎂基水反應(yīng)金屬燃料鎂基水反應(yīng)金屬燃料（6）產(chǎn)物XRD鎂基水反應(yīng)金屬燃料鎂基水反應(yīng)金屬燃料（7）電流腐蝕v As is well known, magnesium has high reducibility, with a standard electrode potential of -2.37 V; thus, magnesium easily loses electrons at the anode. v The XRD of the products indicated that there was

15、 no reaction of either Ni or Co。Ni and Co display low hydrogen overpotentials. .v Our results suggest that the milled Mg/Co and Mg/Ni samples had higher reactivities than milled Mg powder due to the initiation of severe galvanic corrosion of magnesium by the addition of these metals, which constitut

16、ed efficient cathodes. v In other words, water was reduced by obtaining electrons in the cathode. 鎂基水反應(yīng)金屬材料鎂基水反應(yīng)金屬材料（8）產(chǎn)物形貌鎂基水反應(yīng)金屬材料鎂基水反應(yīng)金屬材料v Finally, the hydrolysis reaction of the milled Mg-based materials formed a three-dimensional precipitate composed of the nanosized Mg(OH)2 chip, unlike the f

17、ormation of compact Mg(OH)2. v We inferred that the lamellar structure of milled magnesium was the main reason for this difference. As hydrolysis occurred, we hypothesize that thin lamina of magnesium were stripped from the surface and reacted rapidly and completely with seawater due to the clean su

18、rface and its specific structure. v Simultaneously, the hydrolysis was not retarded by Mg(OH)2 accumulation because of the porosity of the products. 鎂基水反應(yīng)金屬燃料鎂基水反應(yīng)金屬燃料結(jié)論 金屬金屬/ /水能源體系應(yīng)用水能源體系應(yīng)用金屬金屬/ /水能源體系水能源體系v 以金屬以金屬/水反應(yīng)作為氫源的燃料電池可以應(yīng)用于車載動(dòng)力系統(tǒng)、手提電腦水反應(yīng)作為氫源的燃料電池可以應(yīng)用于車載動(dòng)力系統(tǒng)、手提電腦的電源、應(yīng)急電源、單兵作戰(zhàn)電源等的電源、應(yīng)急電源、單兵

19、作戰(zhàn)電源等; 該系統(tǒng)適合為特殊場(chǎng)合該系統(tǒng)適合為特殊場(chǎng)合(高山、海高山、海上、水下、地下等上、水下、地下等)的燃料電池電源供給氫氣。由于高容量、高性能顯示的燃料電池電源供給氫氣。由于高容量、高性能顯示出強(qiáng)大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。出強(qiáng)大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。v 美國(guó)普度大學(xué)科學(xué)家認(rèn)為這項(xiàng)新技術(shù)將在船舶動(dòng)力應(yīng)用領(lǐng)域起到主導(dǎo)作美國(guó)普度大學(xué)科學(xué)家認(rèn)為這項(xiàng)新技術(shù)將在船舶動(dòng)力應(yīng)用領(lǐng)域起到主導(dǎo)作用。巡航艇和油輪可以在船上儲(chǔ)存鋁和液態(tài)合金，并按行程需要直接用用。巡航艇和油輪可以在船上儲(chǔ)存鋁和液態(tài)合金，并按行程需要直接用泵抽取海水，這樣便可以制取所需氫氣，供給給內(nèi)燃機(jī)。雖然現(xiàn)在很少泵抽取海水，這樣便可以制取所需氫氣，供給給內(nèi)燃機(jī)

20、。雖然現(xiàn)在很少討論船只、貨輪等各種海上運(yùn)輸工具帶來(lái)的污染，但是，如果這項(xiàng)技術(shù)討論船只、貨輪等各種海上運(yùn)輸工具帶來(lái)的污染，但是，如果這項(xiàng)技術(shù)可以商業(yè)化，將會(huì)在很大程度上凈化海水，湖泊，河流等?？梢陨虡I(yè)化，將會(huì)在很大程度上凈化海水，湖泊，河流等。金屬金屬/ /水能源體系水能源體系v 俄羅斯科學(xué)家表示，這種制氫裝置同樣也可以運(yùn)用到潛艇，鐵路運(yùn)輸，汽輪俄羅斯科學(xué)家表示，這種制氫裝置同樣也可以運(yùn)用到潛艇，鐵路運(yùn)輸，汽輪機(jī)的燃料供應(yīng)，甚至還可以進(jìn)入到村鎮(zhèn)的家庭用于家庭供電。機(jī)的燃料供應(yīng)，甚至還可以進(jìn)入到村鎮(zhèn)的家庭用于家庭供電。v 鋁與水反應(yīng)后的副產(chǎn)品鋁與水反應(yīng)后的副產(chǎn)品氫氧化鋁，本身就是非常好的原料，可以通過(guò)氫氧化鋁，本身就是非常好的原料，可以通過(guò)反應(yīng)或者其他方法再次生成鋁，形成一個(gè)循環(huán)的過(guò)程。反應(yīng)或者其他方法再次生成鋁，形成一個(gè)循環(huán)的過(guò)程。v 例如：西伯利亞的水流經(jīng)布拉茨克水力發(fā)電站的發(fā)電機(jī)組，產(chǎn)生電能例如：西伯利亞的水流經(jīng)布拉茨克水力發(fā)電站的發(fā)電機(jī)組，產(chǎn)生