化学链储氢过程中氧离子的体相氧传递机理及过程强化

Chemical looping hydrogen storage is a new way of indirect hydrogen storage, which is characterized by safety, environmental protection and high hydrogen storage density. However, the traditional oxygen carrier material for hydrogen storage is restricted by the bulk oxygen transfer during the hydrogen storage and release reaction, resulting in the higher hydrogen storage temperature and the slow hydrogen storage and release rate. In response to this problem, this project intends to carry out research on the mechanism and enhancement of the bulk oxygen transfer in the chemical looping hydrogen storage process. The transient isotope tracer method was used to study the effects of reaction temperature, reaction atmosphere and material lattice defects on the bulk oxygen transfer of hydrogen storage oxygen carrier materials. The kinetic model of bulk oxygen transfer under forced conditions and instinct function of the bulk oxygen transfer process were established and constructed. At the same time, quantum simulation was carried out on the bulk oxygen transfer process to analyze its microscopic transport mechanism and thermophysical properties. On this basis, it guided the design of multi-metal doped fast oxygen ion transport materials, improving the bulk oxygen transfer the performance of chemical looping hydrogen storage. This study can further develop the theory of bulk oxygen transfer and enhancement in the chemical looping reaction process, and provide a basis for promoting the application of chemical looping hydrogen storage technology in the energy storage systems.

化学链储氢是一种新型的间接储氢方式，具有安全，环保，储氢密度高等特点。然而，传统载氧体储氢材料在储放氢反应过程中受到氧离子体相传递的限制，导致其储氢温度较高，储放氢速率较慢。针对这一问题，本项目拟开展化学链储氢过程中氧离子体相传递的机理及强化研究。采用瞬态同位素示踪法，研究反应温度，反应气氛，材料点阵缺陷等对载氧体储氢材料体相氧传递的影响，建立受迫条件下的氧离子体相传递动力学模型，构建体相氧传递过程的本征机制函数。同时，对体相氧传递过程进行了模拟计算，解析其微观输运机制和热物理本质。在此基础上，指导设计多元金属掺杂的快氧离子传递材料，强化氧离子的体相氧传递过程，提高化学链储氢性能。本研究可进一步发展化学链反应过程中氧离子的体相传递和强化理论，为推动化学链储氢技术在储能系统中的应用提供基础。

化学链储氢是一种新型的间接储氢方式，具有安全，环保，储氢密度高等特点。然而，传统载氧体储氢材料在储放氢反应过程中受到氧离子体相传递的限制，导致其储氢温度较高，储放氢速率较慢。针对这一问题，本项目开展了化学链储氢过程中氧离子体相传递的机理及强化研究。首先，研究了反应温度、反应气氛对铁基载氧体吸放氢反应特性的影响，发现氢气浓度高于45%，反应温度高于800 oC的条件下，纯铁基载氧体的吸氢速率无法得到提升，此时载氧体的氧化还原反应性能受到了限制。建立了受迫条件下的氧离子体相传递动力学模型，得到了晶格氧迁移动力学中的活化能为68.23 kJ/mol。然后，在铁基载氧体中掺杂不同元素，获得了它们的点阵结构，得到了在Co、Ni、Mn、Cu四种元素中，掺杂Co元素的铁基载氧体有最好的氧化还原反应性能。研究了不同Co和Mn掺杂比例下铁基载氧体的体相氧传导特性，发现Co0.4Mn0.2Fe2.4O4的体相氧传导率最大。基于密度泛函理论对铁基载氧体进行了第一性原理计算，分析了储放氢反应氧离子的迁移过程，发现反应过程底层氧离子的迁移能垒最大，反应速率由载氧体体相内晶格氧的传递速率控制，这一发现为载氧体的合成与改性提供了一定的方向。最后，设计合成了快氧离子传递材料，该材料采用一种有利于晶格氧传递的层状双金属氢氧化物结构。在此基础上Co和Cu元素的掺杂提高了材料的氧化还原反应性能以及循环稳定性。. 本课题执行期间取得以下主要成果：共发表SCI论文16篇，总引用次数为288。代表性论文发表在化工领域顶级期刊Chem Eng J.（影响因子：16.744），催化领域顶级期刊Appl Catal B.（影响因子：24.319），环境领域顶级期刊EST.（影响因子：11.357）等期刊上，申请发明专利4项。在本项目的支持下，项目负责人与帝国理工学院密切合作，载氧体方面的研究成果在Nature Communications上发表。