轻质储氢材料改性与热力学调控进展

为解决环境与能源问题,氢能作为一种理想的二次能源,受到国内外研究者的关注.众多储氢方式中,固态储氢能量密度高、安全性好,被认为是最具有发展前景的储氢方式之一.由轻质元素组成的储氢材料(包含金属氢化物、硼氢化物、铝氢化物、氨基氢化物、氨硼烷)因其具有高的储能密度成为储氢领域的研究热点.本文从热力学角度出发,对几种轻质储氢材料的研究进展,尤其是材料的改性进行了总结,并对轻质储氢材料的发展趋势进行了展望.     

Progress in improving thermodynamics and kinetics of new hydrogen storage materials

Hydrogen storage material has been much developed recently because of its potential for proton exchange membrane (PEM) fuel cell applications. A successful solid-state reversible storage material should meet the requirements of high storage capacity, suitable thermodynamic properties, and fast adsorption and desorption kinetics. Complex hydrides, including boron hydride and alanate, ammonia borane, metal organic frameworks (MOFs), covalent organic frameworks (COFs) and zeolitic imidazolate frameworks (ZIFs), are remarkable hydrogen storage materials because of their advantages of high energy density and safety. This feature article focuses mainly on the thermodynamics and kinetics of these hydrogen storage materials in the past few years.     

六方氮化硼单层中一种(CN)3VB缺陷的第一性原理计算

二维六方氮化硼(hBN)的点缺陷最近被发现可以实现室温下的单光子发射,而成为近年的研究热点.尽管其具有重要的基础和应用研究意义,hBN中发光缺陷的原子结构起源仍然存在争议.本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究hBN单层中一种B空位附近3个N原子被C替代的缺陷(CN)3VB.在hBN的B空位处,3个N原子各自带一个在平面内的悬挂键及相应的未配对电子,而通过C替换可以消除未配对的电子.系统研究了(CN)3VB缺陷的几何结构、电子结构以及光学性质,结果表明,缺陷可以由一个对称的亚稳态经过原子结构弛豫变成1个非对称的、3个C原子连在一起的基态结构.缺陷的形成在hBN中引入了一些由缺陷悬挂σ键及重构的π键贡献的局域缺陷态.这些缺陷态可以导致能量阈值在2.58 eV附近的可见光内部跃迁.本文的工作有助于进一步理解hBN中点缺陷的构成及光学性质,为实验上探讨发光点缺陷的原子结构起源及其性质提供理论依据.     

无序碳单层的电子结构及氢原子吸附的第一性原理

本研究运用第一性原理计算方法,系统地研究了无序碳单层材料不同位点的电子结构及其析氢性能.计算结果显示无序结构中的C-C键相比于石墨烯中的C-C键在26.7%的范围内有不同程度的拉伸或压缩,使得C原子电荷在-0.17～+0.16个电子范围内变化,导致部分C原子电子局域化.电子的局域化增强了C原子的化学活性,从而表现出了较强的吸附性能.我们发现H原子与C原子的键合及析氢性能与C原子间的键角相关.对于三配位的碳原子,其中三个价电子通过sp~2杂化轨道与最邻近的碳原子结合形成较强的共价键,而余下的一个p_z轨道电子可以与H原子在垂直于原子层的方向形成较弱的化学键.无序结构可以打破三个sp~2杂化轨道的对称性,进而影响p_z轨道与氢的成键.本研究在一定程度上揭示了单层无序碳材料结构-性能的构效关系,为实验上设计特定性能的无序碳功能材料提供理论指导.     

四元Mg0.9Ti0.1Ni0.9X0.1(X=Mn,Zn,Co,Fe)系列合金的制备及性能研究

用机械合金化法合成了Mg0.9Ti0.1Ni0.9X0.1(X=Mn, Zn, Co, Fe)系列合金. X射线衍射(XRD)结构分析表明, 用X部分替代Ni后, 促进了Mg0.9Ti0.1Ni合金的非晶化过程. 用Co和Fe部分替代Ni提高了合金的放电容量, 但却降低了合金的循环稳定性. 用Zn和Mn部分替代Ni提高了合金电极的循环寿命, 尤其是Mg0.9Ti0.1Ni0.9Zn0.1合金电极经10个充放电循环后, 其放电容量仍可达到313.8 mA·h/g. 对添加Co后的合金进行p-c-T测试发现, Mg0.9Ti0.1Ni0.9Co0.1合金的吸放氢容量明显比Mg0.9Ti0.1Ni合金高, 这与电化学所测到的结果一致.     

Mg基非晶合金及La-Mg-Ni基复合物储氢电极的结构与电化学性能

Mg50Ni50非晶合金具有较高的初始放电容量（500mAh／g），有希望成为Ni-MH二次电池的负极合金材料。但较差的循环稳定性限制了它的进一步开发和应用。为此，本研究采用机械合金化方法，基于Mg侧进行元素替代，获得了四元Mg0.9-xTi0.1PdxNi（X=0．04-0．1）储氢合金。XRD和TEM分别从宏观和微观角度证实该系列合金仍为非晶态合金。本研究还发现，随着Pd含量的增加，腐蚀电流降低；合金的抗腐蚀能力提高。当Pd含量达到0．1的时候，Mg0.8Ti0．1Pd0．1Ni合金的耐蚀能力达到最大，其容量保持率也达到最高，经80次循环后放电容量仍然保持在200mAh／g以上。 AB3型La-Mg-Ni储氢合金与Mg基合金类似之处在于：具有较高的初始放电容量但循环容量保持率较低。为此，本研究将AB3型La0.7Mg0.3Ni3.5合金与具有较高循环稳定性的AB2型Ti0.17Zr0．08V0.35Cr0．1Ni0．3合金相复合，获得新型AB3-AB2复相合金。XRD研究表明复合物中La0．7Mg0．3Ni3．5和Ti0.17Zr0.08V0．35Cr0．1Ni0．3仍旧保持原有结构。扫描电镜（SEM）研究发现，复合物颗粒的平均尺寸在50μm左右。由于Ti0．17Zr0．08V0.35Cr0．1Ni0．3相的防护，复合物的耐腐蚀能力及100次循环容量保持率（62．3％）得以显著提高。     

稀土钬及铒钇丙氨酸配合物的量热与热分析研究

合成了两种固态稀土丙氨酸配合物[Ho2(Ala)4(H2O)8]Cl6和[ErY(Ala)4(H2O)8](ClO4)6 (Ala为丙氨酸),用量热和热分析方法研究了这两种配合物的热力学性质.用全自动高精密绝热量热计测定了在78～377 K温区内的低温热容.对于[Ho2(Ala)4(H2O)8]Cl6,在214～255 K温区内发现一固-固相变,其相变温度为235.09 K.对于[ErY(Ala)4(H2O)8](ClO4)6,在99～121 K温区内也发现一固-固相变,其相变温度为115.78 K. [Ho2(Ala)4(H2O)8]Cl6固-固相变焓为3.02 kJ• mol－1,相变熵为12.83 J•K－1•mol－1； [ErY(Ala)4(H2O)8](ClO4)6 固-固相变焓为1.96 kJ•mol－1,相变熵为16.90 J•K－1•mol－1.同时,用TG技术在40～800 ℃温区研究了两配合物的热稳定性.由TG/DTG曲线分析可知, [Ho2(Ala)4(H2O)8]Cl6从80 ℃到479 ℃热分解分两步完成, [ErY(Ala)4(H2O)8](ClO4)6从120 ℃到430 ℃热分解分三步完成.     

金属-氮-氢体系储氢材料

氢能作为未来理想的清洁能源之一,已经成为全球研究的重要领域,而在氢能的应用中最关键的问题是氢气的存储.近年来,人们的研究集中在固态储氢材料上,许多新型储氢材料不断出现,其中由轻元素组成的金属-氮-氢体系拥有储氢容量高、可逆性好等优点,被认为是最有前景的储氢材料之一.目前金属-氮-氢体系已经发展出许多体系,而研究最多的是Li-N-H和Li-Mg-N-H两种体系.本文重点综述了两者作为可逆储氢材料的研究现状,主要从制备方法、储氢性能、反应机理、理论计算和存在的问题等方面进行了讨论,同时指出了金属-氮-氢储氢体系的发展趋势.     

铝锡合金制氢技术研究

采用机械球磨法制备了铝锡系列合金. 水解制氢曲线和XRD结果表明, 添加剂(锌和氢化物)的加入和球磨时间的延长, 有利于金属铝和金属锡的均匀混合和活性一致. 常温下该系列合金与水反应迅速, 氢气产量高. 尤其是球磨10 h的Al-10%Sn-5%Zn-5%MgH2(质量分数)合金, 在10 min内水解反应结束, 氢气产量为785 mL/g, 水解速率为78.5 mL/(min·g).     

Mg0.9-xTi0.1PdxNi(x=O.04～0.1)贮氢合金电极腐蚀行为研究

研究了Pd部分替代Mg对Mg0.9-xTi0.1PdxNi(x=0.04～0.1)贮氢合金腐蚀性能的影响.利用机械合金化方法制备了Mg0.9-xTi0.1PdxNi(x=0.04～0.1)贮氢合金.XRD和TEM分析表明经120 h球磨后该合金完全非晶化.循环充放电测试结果表明,Pd的替代有效地延长了Mg0.9-xTi0.1PdxNi(x=0.04～0.1)合金的循环寿命.采用开路电位测量,阳极极化,电化学阻抗和X射线光电子能谱研究了该合金的腐蚀行为.结果表明,随着Pd含量增加,合金腐蚀电位正移,初始腐蚀电流下降,腐蚀电流增加的速度变缓.采用本文提出的等效电路模型较好地拟合了合金的电化学阻抗谱.分析表明,随着Pd含量的增加,合金表面钝化膜厚度和电阻逐渐增大.X射线光电子能谱分析表明,Pd的加入减弱了合金在充放电过程中的氧化程度.当Pd含量达到0.1时,Mg0.9-xTi0.1PdxNi(x=0.04～0.1)合金的耐腐蚀性能最好,其放电容量保持率最高.