金属水反应体系

1、LOGO新能源材料新能源材料金属金属/ /水能源体系水能源体系邹美帅邹美帅能源危机能源危机v 21世纪人类正面临的能源危机：化石燃料的匮乏，环境状况的恶化，传统世纪人类正面临的能源危机：化石燃料的匮乏，环境状况的恶化，传统能源工业满足不了人类发展的要求。能源工业满足不了人类发展的要求。 （1）化石燃料资源正面临着枯竭；）化石燃料资源正面临着枯竭； （2）严重的区域环境问题；）严重的区域环境问题； （3）温室气体与气候变暖；）温室气体与气候变暖； （4）能源）能源-战争的导火索。战争的导火索。v 伴随着全球能源需求的不断增长以及日益加剧的环境污染问题，新能源的开伴随着全球能源需求的不断增长以及日

2、益加剧的环境污染问题，新能源的开发与利用越来越受到人们的重视。发与利用越来越受到人们的重视。谁是下一个能源主角谁是下一个能源主角氢能氢能v 在环境和能源危机日益严重情况下：（在环境和能源危机日益严重情况下：（1）氢能由于无污染且能量转换效率高）氢能由于无污染且能量转换效率高，是一种清洁、安全、高效的二次能源；（，是一种清洁、安全、高效的二次能源；（2）用氢代替所用的燃料是唯一能）用氢代替所用的燃料是唯一能提供既没有温室效应、也没有污染威胁的高质量生活的途径。其是解决未来提供既没有温室效应、也没有污染威胁的高质量生活的途径。其是解决未来清洁能源需求问题的首选新能源之一。清洁能源需求问题的首选新能

3、源之一。v 由于氢能技术在解决人类面临的能源与环境两大方面的重大作用，世界上主由于氢能技术在解决人类面临的能源与环境两大方面的重大作用，世界上主要国家对氢能技术都有大量资金投入。加大氢能的研发和投入是对保障国家要国家对氢能技术都有大量资金投入。加大氢能的研发和投入是对保障国家能源安全和环境保护的一项重要措施。能源安全和环境保护的一项重要措施。v 氢能的开发和利用受到世界各国的高度重视，以期在氢能的开发和利用受到世界各国的高度重视，以期在21世纪中叶进入世纪中叶进入“氢能氢能经济经济”时代。时代。氢能经济氢能经济 金属金属/ /水制氢水制氢金属金属/ /水制氢水制氢v 目前现行工业用氢都采用目前

4、现行工业用氢都采用化石燃料制氢化石燃料制氢和和电解水制氢电解水制氢为主要的制氢方法；为主要的制氢方法；这样的制氢效率不高，需要消耗大量能源，并对环境污染较大。这样的制氢效率不高，需要消耗大量能源，并对环境污染较大。v 金属水解反应金属水解反应产生氢气，是一种很有前景的储存和运输能量的方式。这类产生氢气，是一种很有前景的储存和运输能量的方式。这类物质可以在常温常压下通过简单的水解反应制得高纯度氢气。物质可以在常温常压下通过简单的水解反应制得高纯度氢气。v 这个制氢过程中这个制氢过程中不产生含碳和氮的有害物质不产生含碳和氮的有害物质，产物环境友好，产物环境友好 ，副产物氢氧副产物氢氧化物等化物等可

5、以回收再次应用于水处理、造纸、阻燃剂的生产等方面。可以回收再次应用于水处理、造纸、阻燃剂的生产等方面。v 可与水反应的金属很多，例如镁，铝，锂和铍等。但从能量密度、储存性可与水反应的金属很多，例如镁，铝，锂和铍等。但从能量密度、储存性能、毒性等方面综合来考虑，能、毒性等方面综合来考虑，镁/水和铝/水反应体系是首选。镁镁/ /水及铝水及铝/ /水制氢水制氢v Mg +2HMg +2H2 2O Mg(OH)O Mg(OH)2 2 + H+ H2 2 2Al +6H2Al +6H2 2O Al(OH)O Al(OH)3 3 + 3H+ 3H2 2 H(298K)=-354kJ/mol H(298K)

6、=-354kJ/mol H(298K)=-409kJ/molH(298K)=-409kJ/molv 金属镁金属镁/水反应很高的氢气产量水反应很高的氢气产量(933ml/g)，储氢值为，储氢值为8.2.%。高于美国。高于美国能源部对车载储氢媒介储氢量能源部对车载储氢媒介储氢量6%的要求。而铝的要求。而铝/水反应具有更高的氢气产量水反应具有更高的氢气产量(1245ml/g)，储氢值为，储氢值为11.1%，高于美国能源部，高于美国能源部2015 年储氢材料储氢年储氢材料储氢值大于值大于9%的要求。的要求。v 镁、铝是地壳中含量较多多的金属元素，原料来源广泛，价格低廉。镁、铝是地壳中含量较多多的金属元

7、素，原料来源广泛，价格低廉。v 另外，镁、铝的密度低，氢气可以间接地存储在其原材料中，这样制氢系统另外，镁、铝的密度低，氢气可以间接地存储在其原材料中，这样制氢系统就会变得更加小型化而且更加安全。就会变得更加小型化而且更加安全。金属金属/ /水制氢水制氢v 关键技术关键技术v 金属虽然具有较高的反应活性，但由于其表面有一层致密的氧化膜，阻碍金属虽然具有较高的反应活性，但由于其表面有一层致密的氧化膜，阻碍了金属与水的接触反应，所以在研究金属与水反应过程中，关键的技术是了金属与水的接触反应，所以在研究金属与水反应过程中，关键的技术是如何除去表面的氧化物和抑制氧化膜的生成，从而缩短诱导反应时间，加如

8、何除去表面的氧化物和抑制氧化膜的生成，从而缩短诱导反应时间，加快反应，提高转化率，。快反应，提高转化率，。金属金属/ /水制氢水制氢v 铝铝/水具有高的能量密度和储氢量，但相比镁水具有高的能量密度和储氢量，但相比镁/水体系，铝的氧化层更加致密水体系，铝的氧化层更加致密(Pilling-Bedworth coefficient =1.28). 因此，其反应启动更加困难以及因此，其反应启动更加困难以及反应效率低。反应效率低。v 即使镁的表面氧化层比较疏松，其仍是影响与水反应效率和速率的关键因素。另外即使镁的表面氧化层比较疏松，其仍是影响与水反应效率和速率的关键因素。另外，随着水解反应的进行，副产物

9、，随着水解反应的进行，副产物Mg(OH)2便会形成钝化层包覆在未反应的颗粒表便会形成钝化层包覆在未反应的颗粒表面，阻碍了水向颗粒内部扩散，从而使水解反应经过初期反应后就迅速停止。面，阻碍了水向颗粒内部扩散，从而使水解反应经过初期反应后就迅速停止。v 为了提高水解制氢效率和反应速率，目前采用的方法主要是：催化剂复合，改变溶为了提高水解制氢效率和反应速率，目前采用的方法主要是：催化剂复合，改变溶液成分以及氢化物掺杂等。液成分以及氢化物掺杂等。v 相比国内外复合催化剂的方法，我们提出了高效催化剂和产物结构改变的方式，大相比国内外复合催化剂的方法，我们提出了高效催化剂和产物结构改变的方式，大幅提高了氢

10、气的产生效率和速率。幅提高了氢气的产生效率和速率。镁基水反应活性材料镁基水反应活性材料（1）制备片状原料高效催化剂变速循环抑制剂惰性气体保护镁基水反应活性材料镁基水反应活性材料（2）配方组成镁基水反应活性材料镁基水反应活性材料（3）形貌镁基水反应金属材料镁基水反应金属材料（4）热分析镁基水反应金属燃料镁基水反应金属燃料（5）水解性能镁基水反应金属材料镁基水反应金属材料v The hydrolysable result with the milled Mg powder is very promising for the activation of magnesium, and the mech

11、anism of increased hydrolysis was analyzed. v First, the elimination of the oxide layer by mechanical milling improved the reaction enable rate.v Second, surface defects were created in the magnesium by milling. It is known that numerous defects and fresh magnesium surfaces accentuate pitting corros

12、ion in the presence of Cl-.镁基水反应金属材料镁基水反应金属材料v We think that the milled magnesium materials, including F2, F3 and F4, oxidized earlier and more easily than the unmilled Mg powder because they have more surface defects and larger specific surface areas.v The mass of milled magnesium (F2) increased on

13、ly 60% when the temperature reached 800, indicating that the MgO content of the milled Mg powder was larger than unmilled Mg powder.v the Mg/Ni and Mg/Co samples had almost equal weight increases of approximately 53%. The reduced weight increase after oxidation is likely because the additive metal d

14、id not react or only partly reacted with air.镁基水反应金属燃料镁基水反应金属燃料（6）产物XRD镁基水反应金属燃料镁基水反应金属燃料（7）电流腐蚀v As is well known, magnesium has high reducibility, with a standard electrode potential of -2.37 V; thus, magnesium easily loses electrons at the anode. v The XRD of the products indicated that there was

15、 no reaction of either Ni or Co。Ni and Co display low hydrogen overpotentials. .v Our results suggest that the milled Mg/Co and Mg/Ni samples had higher reactivities than milled Mg powder due to the initiation of severe galvanic corrosion of magnesium by the addition of these metals, which constitut

16、ed efficient cathodes. v In other words, water was reduced by obtaining electrons in the cathode. 镁基水反应金属材料镁基水反应金属材料（8）产物形貌镁基水反应金属材料镁基水反应金属材料v Finally, the hydrolysis reaction of the milled Mg-based materials formed a three-dimensional precipitate composed of the nanosized Mg(OH)2 chip, unlike the f

17、ormation of compact Mg(OH)2. v We inferred that the lamellar structure of milled magnesium was the main reason for this difference. As hydrolysis occurred, we hypothesize that thin lamina of magnesium were stripped from the surface and reacted rapidly and completely with seawater due to the clean su

18、rface and its specific structure. v Simultaneously, the hydrolysis was not retarded by Mg(OH)2 accumulation because of the porosity of the products. 镁基水反应金属燃料镁基水反应金属燃料结论 金属金属/ /水能源体系应用水能源体系应用金属金属/ /水能源体系水能源体系v 以金属以金属/水反应作为氢源的燃料电池可以应用于车载动力系统、手提电脑水反应作为氢源的燃料电池可以应用于车载动力系统、手提电脑的电源、应急电源、单兵作战电源等的电源、应急电源、单兵

19、作战电源等; 该系统适合为特殊场合该系统适合为特殊场合(高山、海高山、海上、水下、地下等上、水下、地下等)的燃料电池电源供给氢气。由于高容量、高性能显示的燃料电池电源供给氢气。由于高容量、高性能显示出强大的市场竞争力。出强大的市场竞争力。v 美国普度大学科学家认为这项新技术将在船舶动力应用领域起到主导作美国普度大学科学家认为这项新技术将在船舶动力应用领域起到主导作用。巡航艇和油轮可以在船上储存铝和液态合金，并按行程需要直接用用。巡航艇和油轮可以在船上储存铝和液态合金，并按行程需要直接用泵抽取海水，这样便可以制取所需氢气，供给给内燃机。虽然现在很少泵抽取海水，这样便可以制取所需氢气，供给给内燃机

20、。虽然现在很少讨论船只、货轮等各种海上运输工具带来的污染，但是，如果这项技术讨论船只、货轮等各种海上运输工具带来的污染，但是，如果这项技术可以商业化，将会在很大程度上净化海水，湖泊，河流等。可以商业化，将会在很大程度上净化海水，湖泊，河流等。金属金属/ /水能源体系水能源体系v 俄罗斯科学家表示，这种制氢装置同样也可以运用到潜艇，铁路运输，汽轮俄罗斯科学家表示，这种制氢装置同样也可以运用到潜艇，铁路运输，汽轮机的燃料供应，甚至还可以进入到村镇的家庭用于家庭供电。机的燃料供应，甚至还可以进入到村镇的家庭用于家庭供电。v 铝与水反应后的副产品铝与水反应后的副产品氢氧化铝，本身就是非常好的原料，可以通过氢氧化铝，本身就是非常好的原料，可以通过反应或者其他方法再次生成铝，形成一个循环的过程。反应或者其他方法再次生成铝，形成一个循环的过程。v 例如：西伯利亚的水流经布拉茨克水力发电站的发电机组，产生电能例如：西伯利亚的水流经布拉茨克水力发电站的发电机组，产生