固体透氧膜法直接制备储氢合金新工艺

来源 :上海大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:zhaohongjie0908
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以LaNi5为代表的AB5型储氢合金具有较高的储氢容量,良好的吸放氢动力学特性,以及活化容易、平衡压力适中、吸放氢平衡压差小等优势,已成为储氢材料应用研究的重点之一。目前商用AB5型储氢合金的工业制备方法为高温熔炼法,制备工艺复杂,生产流程长、成本高、污染重,应用受到限制。因此,开发一种短流程、易操作、低能耗、少污染的新型制备方法势在必行。本文综述了储氢合金现有的制备工艺及研究进展,分析了各种工艺特色及优缺点,在此基础上提出了采用SOM(固体透氧膜)工艺,以混合金属氧化物为原料直接电解脱氧制备储氢合金。透氧膜的采用提高了电解电压因而提高了电解速率。论文详细研究了熔盐的性质(挥发速率、电导率),透氧膜的电导率和抗腐蚀性,烧结、粒度、成型压力、电压、温度等参数对电解过程的影响,以及反应机理和反应速率,并与FFC工艺和其它工艺进行了对比。对熔盐CaCl2的研究表明,950℃CaCl2及CaCl2-NaCl熔盐挥发速率小于3.02×10-6g·cm-2·s,电导率高于3.3S·m-1;实验室自制的透氧膜管为8%Y2O3稳定的ZrO2管,结构致密,有良好的抗腐蚀性和导电性,在950℃电导率为0.131S·m-1;实验采用的各种氧化物烧结片在950℃CaCl2中的溶解度均低于0.078%。以上参数均满足实验要求。SOM法直接制备LaNi5合金的研究结果表明:采用SOM法从La2O3-NiO混合物烧结片直接制备储氢合金LaNi5是可行的;实验最佳的电解温度为950℃,更高的电解温度下,活性金属La会部分流失;电解产物的组成及收率表明最佳的烧结温度为1000℃,烧结片的组成为La4Ni3O10和NiO;电解机理为La4Ni3O10在氩气氛下的预热过程中生成La2NiO4,烧结片浸入熔盐后La2NiO4与CaCl2迅速自发地反应生成LaOCl和NiO,随后NiO电解还原出的金属Ni与LaOCl反应生成LaNi5;电解过程的电流效率为86.7%,能耗为3.55kWh/kgLaNi5;实验对产物的储氢性能测试表明,SOM工艺制备的LaNi5,最高储氢容量为1.43%,达到理论容量的90%,高于FFC和其它工艺制备的LaNi5;产物成分均匀,因而更容易活化,其第一次活化过程吸氢量即达0.85%;吸放氢平台在0.20.3MPa,与理论值相符;电解产物经水洗、烘干后即表现出较高的储氢容量,与传统工艺相比,无需复杂的后续处理,进一步缩短了流程。SOM法直接制备CeNi5的研究结果表明:用NiO-CeO2烧结片直接电解制备合金CeNi5的还原机理为NiO首先被还原为Ni,与随后生成的CeOCl反应生成CeNi5;最优工艺条件为:球磨时间25h、制片压力15MPa、烧结温度850℃、电解温度1000℃、电解时间3h;电解电流效率为75.5%,能耗为4.03kW·h/kg。实验证实了直接制备LaNi5的A侧及B侧取代,如LaxCe1-xNi5(x=0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0)、LaNi4.6Si0.4、LaNi4Al的可行性。混合氧化物烧结片的成分分别为NiO-La4Ni3O10、NiO-La10(SiO46O3-La4Ni3O10、NiO-LaAlO3。SOM工艺的优势在于可采用较高的电解电压来提高电解速率,因此在透氧膜管可承受的范围内电解电压应尽可能地高,本实验制备的膜管可承受的最高电压为4V。在以SiO2制Si以及NiO-La10(SiO46O3-La4Ni3O10制备的LaNi4.6Si0.4的研究中发现,在较高的电解电压下(3.9V),由于存在CaSiO3的分解,产物中含有大量CaSi。而在3.5V的电压下可获得较为理想的反应产物。根据中间产物和循环伏安曲线分析了电脱氧机理,推出了电解速率模型,影响电解速率的因素包括阴极片孔隙率、电极接触面积、电压、透氧膜电导率及厚度、熔盐电导率等,电解速率公式为:实验对SOM工艺和FFC工艺进行了对比,结果表明:SOM工艺电解产物为疏松的海绵状结构,有较大的比表面积,更适合用作储氢材料,而FFC工艺由于电解时间较长,电解产物经过长时间烧结后颗粒互相粘连,出现一定程度的玻璃态;SOM工艺电解过程结束电流降到背景电流值,而FFC工艺由于阳极碳棒和熔盐直接接触,碳粉剥落后引起电子电导,因而电流上升降低了电流效率;SOM工艺与FFC工艺相比,电解时间缩短3倍,电流效率提高3倍,能耗降低6675%,有更好的应用前景。
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