微波辐射对金属-氮-氢储氢体系的吸放氢性能影响研究

Metal-N-H system is one of the most promising hydrogen storage systems. However, a further improvement to the hydriding/dehydriding properties is necessary for the system to meet the demand of practical application. Meanwhile, the technique of microwave radiation has already been successfully utilized in chemistry, petroleum and metallurgy industry, attributed to its special thermal and non-thermal effects which could significantly promote the chemical reaction. Study of the microwave on the improvement of metal-N-H system has not yet been reported. This work is planning to investigate the effects of microwave on the hydriding and dehydriding properties of Metal-N-H systems. In this project, we will study the interactions between microwave radiation and the polarizable factors of reactants such as NH3 molecular, N-H bond, and lattice defects, in order to improve the microwave heating properties of the Metal-N-H systems. The combined effects of microwave and microwave absorbents will be studied in order to improve the hydriding and dehydriding properties of metal-N-H systems. The effects of microwave heating and traditional heating will be compared in order to study the thermal and non-thermal effects of microwave on the hydriding/dehydriding properties of metal-N-H systems. Through this work, an innovative method to improve the hydriding and dehydridng properties of metal-N-H hydrogen storage systems could be established. This research could provide theoretical and technical basis to the utilization of microwave technique in hydrogen storage materials.

金属-氮-氢体系是目前最具发展前景的储氢材料体系之一，但是其吸放氢性能还需要进一步改善以满足实用化的需求。而微波辐射技术以其特殊的热效应和非热效应，可极大促进化学反应的进行，在化工、石油、冶金材料等领域已有大量的成功应用。将微波技术应用于金属氮氢储氢材料性能改善的工作尚未见报道。本项目拟研究微波辐射对于金属-氮-氢体系的吸放氢行为的影响规律。通过研究微波辐射与反应物中各种可极化因子的耦合作用，包括NH3极性分子、N-H极性键、晶格缺陷等，改善金属-氮-氢体系的微波加热性能；通过微波辐射和添加剂的协同作用来改善金属-氮-氢体系的吸放氢性能；通过对比普通加热和微波加热来系统研究微波的热效应和非热效应对金属-氮-氢体系吸放氢性能改善的作用机理。本项目有望开辟金属-氮-氢体系吸放氢性能的微波改性途径，为微波辐射技术在储氢材料领域的应用提供一定的理论和实践基础。

金属-氮-氢体系以其高达6.5-10wt.%的储氢密度，成为可逆固态储氢材料中最有发展潜力的材料体系之一。但是其放氢速率慢、放氢温度高等问题限制了其实际应用。针对金属-氮-氢体系存在的缺点，国内外进行的大量研究主要集中在两个方面：（1）通过材料的纳米化或合适催化剂的添加，改善吸放氢的动力学性能；（2）通过与合适的材料进行复合，改变反应路径，调整热力学性能。然而到目前为止，金属-氮-氢体系的研究离实用化依然有相当一段距离。而微波加热技术具有均匀加热、高效节能、促进化学反应速率和降低化学反应温度等优势。本项目通过研究微波辐射和添加剂对金属-氮-氢体系吸放氢行为的协同影响规律，利用微波辐射改善金属-氮-氢体系吸放氢性能，降低其吸放氢温度，提高其吸放氢速率，为该体系提供了一种微波改性的新途径。主要研究内容和成果如下：研究金属-氮-氢复合体系的微波辐射加热性能，通过不同吸波添加剂来改善金属-氮-氢体系的微波加热性能，优化微波加热工艺，选出具有吸波和催化双重作用的添加剂；研究微波辐射及添加物对金属-氮-氢体系吸放氢性能的影响，通过离子导体添加剂LiBH4、Li2TiO3、K2SO4等和微波辐射的协同作用，使得Li-N-H体系的放氢速率比传统加热条件下的提高了3倍以上；利用微波辐射和添加剂的协同作用来改善Mg基储氢材料的吸放氢性能，通过研究不同金属单质、不同金属氧化物和不同金属氢化物添加剂与微波辐射的协同作用，发现TiO2和单质Ni作为最佳的吸波剂和催化剂，使得Mg基材料在微波辐射加热的放氢速率比传统加热的提高了2倍以上。进一步探索了微波加热技术应用于钛铁矿直接还原制备TiFe合金的新工艺，通过该工艺在微波加热1423K下保温60分钟可以将FeTiO3还原合成TiFe合金。这些实验结果为微波辐射技术在储氢材料改性和制备领域的应用提供了一定的理论和实践基础。