轻金属氢化物在制备存储清洁燃料氢及甲烷中的应用研究

【摘要】：目前,由于化石燃料的消耗和全球环境的日益恶化,人们开始将更多的注意力投入在清洁能源上,其中氢被认为是未来最理想的化石燃料替代能源之一。而基于H存储的轻金属材料存储方法被视为一个有效和方便的存储路径,因为它们拥有高质量和高体积密度的氢元素含量,同时是一个相对安全的固态存储运输方法。自从陈萍等人在2002年首次提出Li_3N-H_2的储氢体系后,该体系在世界范围内受到了高度的关注。此后,LiNH_2-LiH体系作为一个经典的储氢体系被广泛研究。然而,它过高放氢温度导致其仍旧难以进行实际应用。因此,需要研究探索高效的催化剂用来改善其储氢性能和降低其反应温度。受到轻金属氢化物常被用作还原剂与其他材料相结合组成高能量密度储氢体系,以及近期的研究表明轻金属氢化物可以与气体小分子化合物进行有效的反应,比如与NH3在机械球磨条件下反应可以产生含有H_2的燃料的启发。我们又设计出了利用轻金属氢化物与CO_2作用制备存储碳氢燃料的反应思路。首先,我们发现在LiNH_2-LiH体系中掺杂RbF对其放氢温度的降低有着非常显著的改善效果。通过掺杂5 mol%的RbF,我们在升温速率为5 ℃/min的放氢动力学实验中获得了最低的放氢峰值温度(211℃),与原始的LiNH_2-LiH体系相比降低了约69℃。而且也同时获得了最低的放氢起始温度(120 ℃)。通过提升添加RbF的量,放氢峰值温度和放氢起始温度可以进一步降低。此外,LiNH_2-LiH体系的吸放氢循环性能通过添加RbF也得了到改善。反应活化能的降低是LiNH_2-LiH-0.05RbF样品氢脱附温度降低的重要原因。通过详细的结构表征可知,RbF与LiH在加热过程中发生反应生成的RbH显著的改善了LiNH_2-LiH体系的放氢性能。其次,我们首次在室温机械球磨条件下通过轻金属氢化物与二氧化碳的气固反应成功获得不含COx副产物的氢气和甲烷燃料。甲烷在混合气体中的摩尔分数和二氧化碳甲烷化的产率取决于轻金属氢化物的种类,机械球磨的强度和时间,以及CO_2的气氛压力。通过对机械球磨反应的机理分析可知,无定形碳作为中间产物在CO_2转化为CH4的过程中扮演着一个非常重要的角色。本研究开创了一个新的、简单的、非常方便的方法即在温和条件下将二氧化碳转化为可用的燃料。继续探索高效的催化剂用来加快反应速率,提高甲烷的产率将是接下来研究工作的重点。最后,本文系统的探索研究了 MgH_2-CO_2和CaH_2-CO_2两体系加热的甲烷化反应,成功的将二氧化碳转化为绿色能源,获得清洁的氢气与甲烷可燃性气体。探索了其甲烷化效果随反应温度、时间、CO_2压力的变化,得到最佳的反应条件为0.25 MPa二氧化碳压力下加热到450°C恒温48 h,此条件下MgH_2-CO_2体系的甲烷化产率达到68%,CaH_2-CO_2体系的甲烷化产率则高达88%。利用碱土金属氢化物(MgH_2/CaH_2)可以非常高效的氢化还原二氧化碳制备氢气和甲烷混合气,此混合气相对于单一甲烷燃料有着更好的燃烧性能,且碱土金属氢化物(MgH_2/CaH_2)是比较廉价的原材料。因此,利用MgH_2-CO_2和CaH_2-CO_2体系制备氢气和甲烷混合燃料是非常有前景且安全方便的高能量密度固态存储甲烷的方法路径。 【学位授予单位】：扬州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ116.2;TQ221.11

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