碳在制备镁基储氢材料中作用的研究

论文摘要

储氢材料在大规模应用中所存在的问题,一是如何提高材料的储氢密度,二是如何使吸放氢气的操作条件温和化,三是如何降低储氢材料的成本,节约贵重金属资源。本论文以炭化及预石墨化的无烟煤和金属Mg为主要原料,球磨制备了Mg基储氢材料,借助透射电镜(TEM)、粉末X射线衍射(XRD)、差示扫描量热分析(DSC)等手段对材料的结构、性能等进行表征测试,结果表明,材料储放氢性能得到较大改善。通过对不同微晶碳含量、球磨强度、球磨时间和不同种类碳等因素下材料结构和性能差异的研究,提出了微晶碳在制备Mg基储氢材料中的助磨、储氢和催化作用,并探讨了微晶碳的助磨、储氢和催化作用机理。无烟煤炭化及预石墨化后,形成了大量的微孔结构,使比表面积迅速增加;同时形成类似于石墨的层片状结构,但与石墨结构不同,二维平面趋于有序,三维上短程有序,长程杂乱,形成微晶结构单元,因此称之微晶碳(crystallite carbon,简称CC)。借助自行设计的放氢量测试装置、TEM、XRD和DSC等手段,对材料进行了结构表征和性能测试。结果表明,当CC含量大于40wt%时,材料不出现粘结,可在2h内纳米化,但CC含量过大,会降低材料的储氢量,70Mg30CC的放氢量最大,为4.35wt%,但60Mg40CC放氢温度较低,同时,CC含量的增加利于材料的非晶化;球磨强度的改变引起物料在碰撞挤压过程中发生的变形量、变形功和形变次数的改变,球磨强度越大,物料得到的能量越高,晶体的缺陷越多,活性碳原子出现的几率越大,从而CC对Mg的催化和储氢作用越明显;由于CC的良好分散和助磨作用,球磨2h,40Mg60CC材料粒度就可达纳米级,但随着球磨时间的延长,颗粒更加细化导致表面能升高,物料出现团聚现象,同时材料晶格结构被破坏程度加剧,球磨4h材料已几乎呈均一非晶相,且随着球磨时间增加,材料放氢温度降低;添加活性炭、石墨球磨制备的材料储氢性能明显不如添加CC的材料,这是由活性炭的完全杂乱无序结构和石墨的有序层片结构所决定的。根据表征测试结果,对CC的助磨、储氢和催化作用机理进行了初步探讨,为进一步提高材料的储氢量和改善其储放氢性能提供了理论支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 储氢方法概述
• 1.3 储氢材料研究现状
• 1.4 机械球磨技术
• 1.5 镁基复合储氢材料研究现状
• 1.6 本论文的主要研究内容与技术路线
• 2 实验方法
• 2.1 实验原料及设备
• 2.2 材料制备方法
• 2.3 材料测试表征方法
• 2.4 本章小结
• 3 碳在制备镁基储氢材料中的作用
• 3.1 引言
• 3.2 微晶碳含量对镁基储氢材料结构和性能的影响
• 3.3 球磨强度对微晶碳的作用的影响
• 3.4 球磨时间对微晶碳的作用的影响
• 3.5 不同种类碳对镁基储氢材料结构和性能的影响
• 3.6 本章小结
• 4 微晶碳在制备镁基储氢材料中作用机理的探讨
• 4.1 助磨作用机理的探讨
• 4.2 储氢机理的探讨
• 4.3 催化作用机理的探讨
• 4.4 本章小结
• 5 结论
• 5.1 主要结论
• 5.2 本课题的创新点
• 5.3 问题与建议
• 致谢
• 攻读硕士期间主要工作成果
• 参考文献