鎂碳耦合儲氫機(jī)制的研究.pdf

1、氫能是清潔的優(yōu)質(zhì)能源，在其應(yīng)用中，氫氣儲存技術(shù)仍存在許多問題亟需解決。金屬鎂因其具有儲氫密度高、來源廣泛和價格低廉等特點，成為了最有前景的儲氫材料之一，然而，較差的吸氫動力學(xué)性能與較高的熱力學(xué)穩(wěn)定性限制了其應(yīng)用。碳材料因其儲氫密度大和不易受雜質(zhì)氣體影響等特點近年來引起了研究人員的極大興趣。金屬鎂與碳材料單獨儲氫時的條件都相對苛刻，但將兩者混合進(jìn)行充氫球磨，則可同時改善金屬鎂和碳材料的儲氫性能。本文通過實驗表征和第一性原理計算，探究了鎂碳

2、在儲氫過程中的耦合機(jī)制。
　　利用無煙煤通過脫灰和碳化處理制得微晶碳，并通過機(jī)械球磨法制備鎂碳復(fù)合儲氫材料。借助掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、X射線衍射儀（XRD）和傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）等儀器設(shè)備，對金屬鎂、微晶碳和鎂碳復(fù)合儲氫材料的形貌、結(jié)構(gòu)以及儲氫性能等性質(zhì)進(jìn)行分析。實驗結(jié)果表明，金屬鎂粉儲氫效率低，在420℃、2.0 MPa H2環(huán)境中前10 h幾乎不儲氫；微晶碳無法進(jìn)行大量儲氫，在360

3、℃、2.0 MPa H2環(huán)境中8 h內(nèi)儲氫量為0 wt％；氫氣氣氛下球磨可以使金屬鎂發(fā)生氫化反應(yīng)，生成氫化鎂，經(jīng)過3 h球磨Mg的儲氫量可以達(dá)到5.5 wt%，與此同時，微晶碳的儲氫性能也得到了改善，材料中出現(xiàn)了大量C-H鍵。以上結(jié)果說明金屬鎂與微晶碳之間存在可以改善兩者儲氫性能的耦合機(jī)制。另外，通過球磨法制備的鎂碳復(fù)合儲氫材料的放氫表觀活化能與塊狀氫化鎂相比也有所降低，說明微晶碳的添加同時也改善了材料的放氫反應(yīng)，降低了反應(yīng)的活化能。<

4、br>　　為探究金屬鎂和微晶碳耦合儲氫的機(jī)制，通過對金屬鎂和微晶碳結(jié)構(gòu)的分析，借助第一性原理計算，研究了空位、摻雜和位錯等缺陷對H2在金屬鎂和微晶碳模型上的吸附、解離和擴(kuò)散等行為的影響。結(jié)果表明，空位缺陷的引入不利于H2在Mg(0001)晶面和graphite(0001)晶面的吸附，但對H2在兩個晶面上的解離有不同程度的改善作用。空位缺陷也會對H的擴(kuò)散產(chǎn)生影響，其中，H在空位缺陷Mg(0001)晶面的擴(kuò)散所需克服能量位壘降為26.56

5、kJ/mol，而在空位缺陷graphite(0001)晶面的擴(kuò)散所需克服的能量位壘則提高至294.54 kJ/mol。元素?fù)诫s不利于 H2在Mg(0001)晶面和graphite(0001)晶面的吸附，但可以改善H2的解離。晶面滑移形成的C摻雜 Mg(0001)滑移晶面不利于 H2的吸附，但也可以改善 H2的解離，使 H2解離能量位壘降低至92.73 kJ/mol。
　　綜合實驗和模擬計算的分析結(jié)果，鎂碳耦合儲氫機(jī)制可描述為，微晶