微波辅助废铝合金水解制氢性能及其机理研究

Microwave-assisted hydrogen generation properties and mechanism of waste-aluminum alloys is a new project which is derived from the study on hydrogen storage properties of magnesium-based alloys and the design of microwave equipment. Aluminum is considered as one promising hydrogen source for portable power due to its abundant resource, mild hydrolysis conditions, environment-friendly products and high hydrogen storage factor (11.2 wt.%). The composition and microstructure of waste-aluminum alloys, as well as the dependence on the hydrogen generation properties will be investigated. The microwave-assisted hydrogen generation technology will be optimized. The effects of major factors, rules and mechanism on the hydrogen generation and the effective methods for improving hydrogen generation will be studied. This project is of great theoretical significance and practical value to develop the microwave-assisted hydrogen generation technology and to accelerate the application of aluminum-based materials.

本项目在申请人前期镁基储氢合金气态储氢性能研究以及申请人所在研究室微波设备设计研发的基础上，进一步提出微波辅助废铝合金水解制氢性能及其机理研究新课题。铝基材料具有储量丰富，水解条件温和，产物环境友好，理论水解制氢量高（11.2 wt.%）等优点，是理想的移动电源用氢源材料。本项目旨在阐明废铝合金成分和微观结构与水解制氢性能的依赖关系；优化废铝合金的微波水解制氢工艺；揭示影响废铝合金微波水解制氢性能的主要因素、影响规律及影响机理；并探索提高其微波水解制氢转化率的有效途径。本项目基于微波水解制氢技术，开展废铝合金水解制氢特性和机理研究，对于发展具有我国自主知识产权的铝基材料移动氢源技术具有重要的基础研究价值和潜在的应用开发前景。

本项目研究废铝合金水解制氢特性及其机理。 铝储氢量高，原料丰富，环境友好，常温常压下水解释氢高达为11.2wt.%（1245ml/g），被认为是移动氢源技术的理想制氢材料。本项目深入研究了研究了影响铝合金水解制氢动力学及制氢转化率的主要因素，探讨了主要影响因素的影响规律和影响机理，最后搭建了负载为 5W 质子交换膜燃烧电池的铝合金水解制氢的连续在线供氢装置。.本项目首先，在反应水溶液中添加催化成分（Al2(SO4)3，NiCl2和 MgCl2）对泡沫铝水解制氢动力学性能和制氢转化率的影响规律。结果表明，泡沫铝只在1M NiCl2溶液中反应，12h 内能产生 135mL/g 左右的氢气。因此，本项目着重研究了 NiCl2的催化性能；结果表明：制氢速率随水解温度升高先升高后降低；NiCl2 催化泡沫铝水解制氢动力学曲线存在两个阶段：钝化层的脱落，形成Al-Ni原电池发生铝腐蚀。.其次，本项目研究了在反应水溶液中添加催化成分（Al2(SO4)3，Na2SO4和 MgSO4）对不同结构铝镁合金水解制氢动力学性能和制氢转化率的影响规律。结果表明，在1 mol/L（简写为 M）Al2(SO4)3溶液中 50 min 放氢量比在纯水中提高了近 9 倍，对放氢速率影响顺序为 Al2(SO4)3 > Na2SO4 > MgSO4；为避免引入杂质金属离子有利副产物回收，本项目着重研究了 Al2(SO4)3的催化性能和催化机理，分析表明，Al2(SO4)3可通过电离反应在水溶液中生成 Al(OH)3aq和 H+。其生成 H+ 可有二个作用：1) 通过攻击因水解反应在铝镁合金表面形成的钝化层，生成 Al3+、Mg2+和 H2O，溶解钝化层，使反应物暴露出新鲜表面；2) 直接与钝化层溶解后暴露的 Al、Mg反应生成 Al3+、Mg2+并释放出氢分子；上述机理也可解释为，在水溶液中的 Al2(SO4)3通过电离生成的 H+可导致溶液 pH 值降低，pH 值 的降低，有利于因水解生成合金表面的钝化层溶解，露出新鲜表面，从而催进水解制氢。.最后，本项目搭建了负载为 5W 质子交换膜燃烧电池的铝合金水解制氢的连续在线供氢装置。装置特点为: 1）固液反应物充分接触，提高反应效率；2）定量连续导入固体反应物，反应过程可控；3）反应达到稳态时，反应器各部位状态确定，提高反应可控性。.