Al-轻质金属络合氢化物复合体系优化设计、制备与产氢机理研究

铝基制氢材料是当今国内外的研究热点。针对铝表面极易形成Al2O3保护膜阻止反应进行、产氢动力学急需改善、热力学数据缺乏、催化机理不大清楚等科学问题，本项目提出"Al-轻质金属络合氢化物复合体系优化设计、制备与产氢机理研究"课题。拟运用热力学、纳米技术、材料化学、催化理论和第一性原理计算等对Al-轻质金属络合氢化物（LiAlH4、NaBH4）复合材料的组分优化设计制备、尺度控制、催化剂（Zr，Co、Bi、Ga、盐等）效应、微观结构、产氢性能及其热力学特性进行系统研究；阐明材料的成分、结构、形貌与产氢动力学及热力学性质的关系；探讨尺寸效应、催化剂、反应介质对材料水解产氢性能的影响规律，探明产氢过程中热效应与产氢温度/产氢量的调控机制；研究影响铝水反应的关键因素，揭示其活化机理；获得材料的实验热力学和产氢量等基础数据，为与燃料电池电动汽车配套的性能良好的氢源用新型铝基复合材料研发提供科学依据。

为解决氢气的储存、运输难的问题，尤其是为移动设备供氢的问题，铝水制氢技术的研究仍是当前研究的热点之一。本项目共研究了7个产氢体系的产氢性能。首先，研究了Al-LiBH4、Al-LiAlH4、Al-Li3AlH6和Al-NaMgH3体系的产氢性能；并考察了不同添加剂对它们产氢性能的影响；分别探讨了这四个体系的产氢机理。结果表明：在这四种络合氢化物中，Li3AlH6对Al的化学活化作用最强。在室温下，Al-Li3AlH6体系与水反应的转化率高达92.8%，最大产氢速率达到2737.6 ml/g.min。对于不同金属添加剂，研究结果显示，金属Bi对Al的催化作用最好。在上述的4个体系中分别加入Bi，其产氢性能均得到显著提高；如室温下，Al-LiBH4体系的产氢率仅为33.5%，当加入Bi后，其产氢率提升至99.0%；产氢量也由720 ml/g提高至1515 ml/g。另外，对Al-SnCl2体系的产氢性能及产氢机理的研究发现Al与还原性的金属盐（SnCl2）在球磨的过程中会发生氧化还原反应；这样，原位引入的金属（Sn）的催化活性明显高于直接掺杂的。并且，理论计算结果也表明在Al粉中加入Bi能显著降低OH-在Al表面的吸附能，从而提高Al与水的反应活性。为此，考虑原位引入高活性的金属Bi来改善Al的化学活性，提高其产氢性能。最后，研究了Al-BiCl3和Al-BiOCl两个体系的产氢性能。结果发现这两个体系均能在Al粉中原位引入金属Bi。由于该法引入的Bi具有很高的催化活性，因此，掺杂少量的Bi就可以使Al基制氢体系具有较好的产氢性能，如室温，90wt%Al-10wt%Bi的产氢率可达到95.3%，产氢量达到1175 ml/g。而Al-BiOCl-LiH的最大产氢速率高达3179 ml/g.min， 其产氢率也在95%左右。.由于Al基制氢材料的活性提高，势必导致其稳定性下降。为此，开展了提高Al基制氢材料在空气中的稳定性的研究。发现CaO对Al基制氢材料具有一定的保护作用。在空气中，CaO能阻止水和O2与Al的接触；当遇水时，CaO又能与水产生CaOH，在一定程度上能促进Al与水的反应。. 本项目经过4年的研究，研制出了具有较好的产氢性能的Al基制氢材料；同时发现了新的掺杂方法，即原位掺杂。该项研究工作对于开发新的Al基制氢材料具有一定的科学价值和理论指导意义。